DE112011102082B4

DE112011102082B4 - Phasensteuerungsthyristor mit verbessertem Muster von lokalen Emitterkurzschlusspunkten

Info

Publication number: DE112011102082B4
Application number: DE112011102082.1T
Authority: DE
Inventors: Peter Streit
Original assignee: ABB Power Grids Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd Ch
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2031-06-22
Also published as: JP2013534051A; GB2494086B; KR101679108B1; JP5976640B2; DE112011102082T5; CN102947939A; CN102947939B; KR20130026479A; US9142656B2; GB2494086A; WO2011161097A2; GB201222349D0; WO2011161097A3; US20130105857A1

Abstract

Phasensteuerungsthyristor (100), der Folgendes umfasst:
eine Hauptgatestruktur (306) auf einer Kathodenseite (102) des Phasensteuerungsthyristors (100); und
mehrere in einem Kurzschlussmuster auf der Kathodenseite (102) des Phasensteuerungsthyristors (100) angeordnete lokale Emitterkurzschlusspunkte (128);
wobei die Hauptgatestruktur (306) longitudinale Hauptgatebalken (316) umfasst, die sich von einem Mittengebiet einer Kathodenseitenoberfläche zu einem Umfangsgebiet erstrecken,
wobei benachbarte Hauptgatebalken (316) mit einem Abstand bezüglich einer assoziierten dazwischenliegenden Mittellinie (314) angeordnet sind, und
wobei das Kurzschlussmuster in einem Gebiet (310) näher an einem Hauptgatebalken (316) homogener ist als in einem Gebiet (312) näher an der assoziierten Mittellinie (314),
wobei die Emitterkurzschlusspunkte (128) in dem Gebiet näher an dem Hauptgatebalken (316) größere Abstände und/oder kleinere Größen als die Emitterkurzschlusspunkte (128) in dem Gebiet näher an der assoziierten Mittellinie (314) aufweisen.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Phasensteuerungsthyristor mit einer Hauptgatestruktur sowie mehreren lokalen Emitterkurzschlusspunkten, die auf einer Kathodenseite des Thyristors angeordnet sind.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Ein Thyristor, der manchmal auch als ein Siliziumgleichrichter (SCR - Silicon Controlled Rectifier) bezeichnet wird, ist ein Schaltbauelement, das, wenn es durch eine Einschaltspannung in Durchlassrichtung vorgespannt wird und wenn ein positiver Gatestrom an einen Gateanschluss angelegt wird, eingeschaltet werden kann. Es wird dann gesagt, dass sich der Thyristor in einem in Durchlassrichtung leitenden Zustand befindet, bei dem ein Strom von einer Anode zu einer Kathode fließen kann. Andererseits kann sich der Thyristor auch in einem in Durchlassrichtung blockierenden Zustand befinden, was bedeutet, dass eine hohe positive Spannung blockiert werden kann. In einer Sperrrichtung kann der Thyristor nicht eingeschaltet werden. Ein Thyristordesign kann in umgekehrter Richtung blockieren, was bedeutet, dass er in der Sperrrichtung etwa die gleiche Spannung wie im Durchlass-Aus-Zustand blockieren kann oder asymmetrisch sein kann, was dann bedeutet, dass er in der Sperrrichtung so gut wie keine Blockierfähigkeit aufweist. Da Phasensteuerungsanwendungen üblicherweise Blockierfähigkeiten in umgekehrter Richtung erfordern, blockiert ein Phasensteuerungsthyristor (PCT - Phase Control Thyristor) in der Regel in umgekehrter Richtung.
Für Hochstromanwendungen wurden Thyristoren auf der Basis von runden Halbleiterwafern mit einem Durchmesser von z.B. 4 oder 5 Inch entwickelt. Fortgeschrittene Thyristoranwendungen erfordern jedoch noch größere Thyristordesigns z.B. auf der Basis von 6-Inch-Wafern. Es wurde beobachtet, dass es für solche großen Thyristordesigns möglicherweise nicht ausreicht, frühere kleinere Thyristordesigns einfach hochzuskalieren. Mit zunehmendem Thyristordurchmesser können weitere Effekte an Einfluss auf den Thyristorbetrieb gewinnen. Beispielsweise kann ein größerer Thyristor für einen höheren Nennstrom mit einer äquivalenten Blockierfähigkeit in Durchlassrichtung oder Einschaltcharakteristika sowie Kühlcharakteristika während des Thyristorbetriebs möglicherweise nicht durch proportionales Skalieren der Thyristorabmessungen erhalten werden.
DE 1 951 665 zeigt einen Gleichrichter mit einer sternförmigen Hauptgatestruktur. Zwischen zwei Streifen der Hauptgatestruktur sind Emitterkurzschlüsse in der Forme eines Tannenbaums angeordnet. Keine Emitterkurzschlüsse sind in einem Gebiet nahe der Hauptgatestruktur angeordnet. Eine derartige Tannenbaumstruktur ergibt eine grobe Struktur, die nicht für größere Bauelemente verwendet werden kann, weil die Verteilung der Zweige zu grob ist, um die Blockierfähigkeit und die Einschaltcharakteristika auf eine für größere Bauelemente erforderliche Weise effizient zu beeinflussen.
US 4 903 105 A beschreibt einen Triac, der zwei Thyristoren umfasst. An der Grenze zwischen diesen beiden Thyristoren sind höchstens zwei Emitterkurzschlussstreifen angeordnet. Die Streifen können als ein unterbrochener Streifen ausgebildet sein, wobei mindestens 30% des Streifens p-dotiert ist, d.h., die Bereiche zwischen den p-dotierten Gebieten können eine Länge von unter 70% der Wiederholungslänge der p/n-Bereiche der Streifen aufweisen. Die Anordnung dieser Emitterkurzschlüsse zwischen den Thyristoren wird benötigt, um die Thyristoren voneinander zu trennen. Dies ist eine Notwendigkeit für den Betrieb des Triac.
Druckschrift JP S58 - 222 571 A beschreibt einen Thyristor mit Emitterkurzschlüssen und einer p-Typ-Gate-Diffusionsschicht mit T-artigen Strukturen. In Draufsicht auf die Diffusionsschicht weisen die Emitterkurzschlüsse in einem mittleren Bereich in der Nähe der T-artigen Strukturen eine höhere Dichte auf als in anderen Randregionen. Druckschrift JP H10 - 135 445 A beschreibt ein Bauelement mit einem Hauptthyristor und weiteren Nebenthyristoren, wobei eine Kathode des Hauptthyristors zwischen den Kathoden der weiteren Thyristoren angeordnet ist.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es kann eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung sein, einen Phasensteuerungsthyristor mit einem Design bereitzustellen, das vorteilhafte Thyristorbetriebscharakteristika selbst bei größeren Thyristordurchmessern ermöglicht.
Eine derartige Aufgabe kann durch den Thyristor wie in Anspruch 1 definiert gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Phasensteuerungsthyristor mit einem neuen Designangegeben. Der Thyristor umfasst eine Hauptgatestruktur auf einer Kathodenseite des Thyristors und mehrere in einem Kurzschlussmuster auf der Kathodenseite des Thyristors angeordnete lokale Emitterkurzschlüsse. Dabei umfasst die Hauptgatestruktur longitudinale Hauptgatebalken, die sich von einem Mittengebiet der Kathodenseitenoberfläche zu einem Umfangsgebiet erstrecken. Benachbarte Hauptgatebalken sind mit einem Abstand bezüglich einer assoziierten dazwischenliegenden Mittellinie angeordnet. Dabei ist das Kurzschlussmuster in einem Gebiet näher an einem Hauptgatebalken homogener als in einem Gebiet näher an einer assoziierten Mittellinie.
Eine Kernaussage der vorliegenden Offenbarung kann so angesehen werden, dass sie auf der folgenden Idee basiert: Wie unten ausführlich erläutert wird, können Arbeitscharakteristika eines Thyristors von einer Vielzahl von Parametern abhängen. Einer von solchen Parametern, der z.B. die Blockierfähigkeit und/oder die Einschaltcharakteristika des Thyristors beeinflussen, kann z.B. das Design oder die Anordnung einer Hauptgatestruktur sowie eine räumliche Verteilung von Punktförmigen lokalen Emitterkurzschlüssen auf der Kathodenseite des Thyristors sein.
Die Hauptgatestruktur kann die Ausbildung eines Elektronen-Loch-Plasmas während des Einschaltens des Thyristors signifikant beeinflussen. Die Plasmaausbildung kann an der Hauptgatestruktur beginnen und sich seitlich durch die ganze Kathodenseitenoberfläche fortsetzen.
Andererseits können mehrere lokale Emitterkurzschlüsse in der Form von Punkten vorgesehen werden, die über die übrige Kathodenseitenoberfläche hinweg angeordnet sind. Das Design des Kurzschlusspunktmusters kann die Blockierfähigkeit in Durchlassrichtung sowohl statisch als auch dynamisch sowie auch Einschaltcharakteristika beeinflussen.
Da das Design der Hauptgatestruktur und das Design des Kurzschlusspunktmusters die Thyristorarbeitscharakteristika auf verschiedene Weisen beeinflussen kann, wird ein verbessertes Design oder Layout der Kathodenseite eines Thyristors einen Kompromiss zwischen solchen verschiedenen Einflüssen berücksichtigen müssen. Es hat sich herausgestellt, dass vorteilhafte Thyristorcharakteristika unter Verwendung eines Kurzschlussmusters realisiert werden können, das in einem Gebiet näher an einem Hauptgatebalken homogener ist als in einem Gebiet näher an einer assoziierten Mittellinie zwischen benachbarten Hauptgatebalken. Mit anderen Worten kann die Homogenität des Punktmusters in Gebieten nahe an einem Hauptgatebalken höher sein als in Gebieten weiter weg von den Hauptgatebalken.
Die „Homogenität“ des Kurzschlussmusters kann bedeuten, dass die die Emitterkurzschlüsse in einem Oberflächengebiet der Thyristorkathodenseite bildenden Punkte eine mehr oder weniger konstante Größe und/oder einen mehr oder weniger konstanten Abstand aufweisen. Mit anderen Worten kann „homogen“ bedeuten, dass die Größe von Kurschlusspunkten und der Abstand zwischen benachbarten Kurzschlusspunkten über ein Oberflächengebiet hinweg im Wesentlichen gleich sind. Dies kann auch bedeuten, dass eine Dichte von Kurzschlusspunkten im Wesentlichen konstant ist. „Weniger homogen“ kann dann bedeuten, dass die Größe von Punkten und/oder Abstände zwischen benachbarten Punkten über ein Oberflächengebiet hinweg signifikant variieren können. Die Dichte der Emitterkurzschlusspunkte kann als eine Anzahl von Punkten pro Flächeninhalt oder als eine Oberflächengröße der Punkte pro Flächeninhalt ausgedrückt werden. „Oberfläche“ soll diejenige Seite der Punkte zu der Kathodenmetallisierung sein, d.h., sie ist auf der Kathodenseitenebene angeordnet.
Mit anderen Worten hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass Größen von Kurzschlusspunkten und Abstände zwischen benachbarten Kurzschlusspunkten innerhalb eines Gebiets nahe an einem Hauptgatebalken im Wesentlichen konstant sind, wohingegen solche Abstände in einem Gebiet weiter weg von dem Hauptgatebalken, d.h., näher an einer assoziierten Mittelachse zwischen benachbarten Hauptgatebalken variieren können.
Analog können Größen der Kurzschlusspunkte innerhalb eines Gebiets näher an dem Hauptgatebalken im Wesentlichen konstant sein, während in einem Gebiet näher an einer assoziierten Mittellinie die Größen der Kurzschlusspunkte stärker variieren können.
Dieser Befund hat sich aus dem folgenden Verständnis entwickelt: Beim Auslegen der Kathodenseite eines Thyristors, der die Hauptgatestruktur und das Kurschlussmuster umfasst, wurde beobachtet, dass es üblicherweise nicht vermieden werden kann, dass Emitterkurzschlusspunkte mit einer gewissen Inhomogenität in dem Kurzschlussmuster angeordnet sind. Dies kann auf der Tatsache begründet sein, dass das Design der Hauptgatestruktur fast optimal sein sollte, um spezifische Thyristorarbeitscharakteristika zu optimieren, während gleichzeitig ein derartiges Hauptgatestrukturdesign auch das Design eines optimalen Kurzschlussmusters beeinflussen kann. Da die Emitterkurzschlusspunkte über die ganze Kathodenseitenoberfläche hinweg nicht mit einem homogenen Kurzschlussmuster versehen werden können, kann es somit notwendig sein, irgendwo auf der Kathodenseitenoberfläche eine gewisse Strukturinhomogenität zu akzeptieren. Es wurde beobachtet, dass eine derartige Musterinhomogenität für Thyristorarbeitscharakteristika möglicherweise weniger abträglich ist, falls sie so weit wie möglich entfernt von der Hauptgatestruktur angeordnet ist. Mit anderen Worten: Während Musterinhomogenitäten in einem Gebiet nahe der Hauptgatestruktur verhindert werden sollten, kann es in entfernteren Gebieten wie etwa in Gebieten nahe an einer assoziierten Mittellinie zwischen benachbarten Hauptgatebalken akzeptiert werden.
Insbesondere weisen die Kurzschlusspunkte in dem Gebiet näher an dem Hauptgatebalken größere Abstände als Kurzschlusspunkte in dem Gebiet näher an der assoziierten Mittellinie auf. Beispielsweise können in dem Gebiet näher an dem Hauptgatebalken die Abstände und Größen der Kurzschlusspunkte so gewählt werden, dass das Kurzschlusspunktmuster fast optimal ist und die Kurzschlusspunktdichte nahe an einem optimalen niedrigen Wert liegt. Eine derartige geringe Dichte von Kurzschlusspunkten, d.h. mindestens einer von kleinen Punkten oder großen Abständen, kann z.B. die von der Hauptgatestruktur initiierte Plasmaausbreitung zu der übrigen Kathodenseitenoberfläche verbessern. Andererseits kann weit weg von der Hauptgatestruktur das Kurzschlussmuster variieren, da eine derartige Musterinhomogenität in solchen fernen Gebieten möglicherweise weniger schädlich ist. Da die Kurzschlusspunktdichte nicht unter einen spezifischen optimalen Wert fallen sollte, können zusätzlich Kurzschlusspunkte innerhalb eines derartigen fernen Gebiets angeordnet werden, um einen Übergang von einem Gebiet nahe an einem ersten Hauptgatebalken zu einem benachbarten zweiten Gebiet nahe an einem zweiten benachbarten Hauptgatebalken zu „glätten“. Eine größere Kurzschlusspunktdichte kann dann reduzierte Abstände und/oder größere Größen der Kurzschlusspunkte bedeuten.
Die Anwesenheit von Kurzschlüssen behindert das unerwünschte Auslösen des Thyristors wenn hohe dv/dt angelegt werden. Sie behindern auch die Plasmaausbreitung, wenn der Thyristor durch Anlegen eines Gateimpulses eingeschaltet wird. Aufgrund der Tatsache, dass die Kurzschlüsse homogen platziert sind, breitet sich das Plasma homogen aus. Die einzigen Inhomogenitäten in dem Kurzschlussmuster befinden sich entlang von Symmetrielinien (assoziierten Mittellinien) zwischen den verstärkenden Hauptgatebalken, wo die Plasmaausbreitung anhält, weil sie die Symmetrielinie von entgegengesetzten Positionen aus erreicht. Somit ist es vorteilhaft, die Inhomogenitäten in dem Kurzschlussmuster nahe an den assoziierten Mittellinien zu platzieren.
Es kann vorteilhaft sein, dass die benachbarten Hauptgatebalken bezüglich der jeweiligen assoziierten dazwischenliegenden Mittellinie symmetrisch angeordnet sind. Mit anderen Worten kann die Mittellinie eine Symmetrielinie für das Design von zwei benachbarten Hauptgatebalken sein. Beispielsweise kann sich eine gerade Anzahl an Hauptgatebalken von dem zentralen Gebiet zu dem Umfang der Kathodenseitenoberfläche in einer Form eines Sterns oder einer Schneeflocke erstrecken. Die Symmetrie kann das Design der Kathodenseitenoberfläche vereinfachen. Die Symmetrielinien können sich in einem maximalen Abstand weg von den assoziierten Hauptgatebalken befinden, so dass Inhomogenitäten des Kurzschlussmusters im Gebiet solcher Symmetrielinien akzeptiert werden können. Natürlich ist auch eine ungerade Anzahl an Hauptgatebalken möglich.
Gemäß einer weiteren Idee können die Hauptgatebalken verjüngt sein. Dabei kann eine Balkenbreite von dem Mittengebiet zu dem Umfangsgebiet der Kathodenseitenoberfläche abnehmen. Somit kann die lokale Breite der Hauptgatebalken an eine lokale Stromdichte während des regulären Thyristorbetriebs angepasst werden. Mit anderen Worten kann eine Metallisierung der Hauptgatebalken so ausgelegt werden, dass die Stromdichte über eine derartige Metallisierung hinweg im Wesentlichen konstant gehalten wird. Da der Einschaltstrom pro Einschalt-Leitungslänge konstant sein kann. Dies kann zu regelmäßig verjüngten Balken führen, d.h., die Balkenbreite nimmt von dem Mittengebiet zu dem Umfangsgebiet kontinuierlich ab. Dadurch kann Platz eingespart werden und ein Hauptthyristoremitterbereich kann optimiert werden.
Es kann angemerkt werden, dass diese Idee verjüngter Hauptgatebalken auch unabhängig von der oben erwähnten Idee des spezifisch angepassten Kurzschlussmusters realisiert werden kann. Das vorgeschlagene, spezifisch angepasste Kurzschlussmuster kann jedoch auch eine vergrößerte Freiheit der Einschaltleitungsgeometrie gestatten, so dass eine vorteilhafte Anpassung der Geometrie der Hauptgatebalken leicht erhalten werden kann.
Gemäß einer weiteren Idee umfasst der Phasensteuerungsthyristor einen Pilotthyristor auf der Kathodenseite, wobei der Pilotthyristor eine Pilotgatestruktur umfasst. Diese Pilotgatestruktur umfasst longitudinale Pilotgatebalken, die sich in ein Gebiet der Hauptgatebalken erstrecken. Da sich die Emitterschicht des Piloten in den breiten Teil der Hauptgatebalken erstrecken kann, kann sich ein Elektronen-Loch-Plasma von dem Pilotthyristor in die Hauptgatebalken erstrecken, wodurch in gewissen Fällen möglicherweise eine Überlastung verhindert wird.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden in dem folgenden Text unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die beschriebenen Ausführungsformen sind nur als Beispiele gedacht und sollen nicht die Erfindung beschränken. Die Zeichnungen sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu. Allgemein sind gleiche oder gleich funktionierende Teile mit den gleichen Referenzsymbolen versehen.

1 zeigt eine Querschnittsansicht von Dotierungsgebieten und Kontaktanordnungen eines phasengesteuerten Thyristors.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines phasengesteuerten Thyristors mit einer verstärkenden Gatestruktur.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines phasengesteuerten Thyristors mit Kathodenemitterkurzschlüssen.
4 zeigt eine Draufsicht auf ein Kurzschlusspunktmuster des phasengesteuerten Thyristors von 3.
5 zeigt eine n⁺-Maske zum Definieren von phosphordotierten Gebieten (weißen Bereichen) an einer Kathodenseitenoberfläche eines phasengesteuerten Thyristors mit einem herkömmlichen Design.
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht von Abschnitten der in 5 gezeigten Maske.
7 zeigt eine n⁺-Maske zum Definieren von phosphordotierten Gebieten (weißen Bereichen) an einer Kathodenseitenoberfläche eines phasengesteuerten Thyristors mit einem verbesserten Design gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine vergrößerte Ansicht von Abschnitten der in 7 gezeigten Maske.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zuerst werden einige Grundprinzipien von phasengesteuerten Thyristoren (PCT - Phase Controlled Thyristors) und Definitionen von Ausdrücken und Formulierungen, die im Folgenden hier verwendet werden, bezüglich 1-4 angegeben.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines einfachen Thyristors 100. Der Thyristor umfasst vier Schichten aus halbleitendem Material mit abwechselnden Leitungstypen, d.h. eine npnp-Schichtstapelstruktur. In einer Reihenfolge von einer Kathodenseite 102 zu einer Anodenseite 104 des Thyristors 100 umfasst der Thyristor zuerst eine n⁺-dotierte Kathodenemitterschicht 106. Dann folgen eine p-dotierte Basisschicht 108 und eine n-dotierte Basisschicht 110. Schließlich ist an der Anodenseite 104 eine p-dotierte Anodenschicht 112 angeordnet. Die n⁺-Kathodenemitterschicht 106 wird durch eine Kathodenmetallisierung 114 kontaktiert. Die p-Anodenschicht 112 wird durch eine Anodenmetallisierung 116 kontaktiert. Die p-Basisschicht 106 wird durch eine Gatemetallisierung 118 kontaktiert.
Wenn eine positive Spannung zwischen der Anodenmetallisierung 116 und der Kathodenmetallisierung 114 angelegt wird, kann der Thyristor 100 zwischen einem Blockierungszustand (Aus-Zustand) und einem leitenden Zustand (Ein-Zustand) geschaltet werden. Solange kein Strom an die Gatemetallisierung 118 geliefert wird, bleibt der Thyristor im Blockierungszustand. Wenn jedoch der Thyristor durch Liefern eines Stroms an das Gate 118 ausgelöst wird, werden Elektronen aus der Kathode injiziert, fließen zu der Anode, wo sie zu Löcherinjektion führen, und ein Elektronen-Loch-Plasma entsteht in der p-Basisschicht 108 und der n-Basisschicht 110, das den Thyristor in den leitenden Zustand schalten kann. Der leitende Zustand kann aufrechterhalten werden, solange die Durchlassspannung angelegt wird, und wird nur dann gestoppt, wenn die zwischen der Anodenmetallisierung 116 und der Kathodenmetallisierung 114 angelegte Spannung abgeschaltet oder sogar umgekehrt wird. Beim Anlegen einer umgekehrten negativen Spannung zwischen der Anode und der Kathode geht der Thyristor in seinen Blockierungszustand (Aus-Zustand) und kann in den leitenden Zustand (Ein-Zustand) nur durch erneutes Auslösen durch Wiederanlegen eines Gatestroms geschaltet werden. Um jedoch seine volle Blockierfähigkeit zu erhalten, muss die Sperrspannung für eine als Ruhezeit t_q bezeichnete gewisse Dauer angelegt werden, so dass das zuvor injizierte Elektronen-Loch-Plasma aufgrund von Rekombinationsprozessen verschwinden kann, wodurch die Blockierkapazität des Bauelements ermöglicht wird.
Zum Auslösen eines Thyristors 100 wie in 1 gezeigt, wäre ein substantieller Gatestrom erforderlich. Eine leichte Verbesserung kann aus der Integration eines Hilfsthyristors, die Experten wohlbekannt sind, zwischen einem Hauptgate und einer Anode eines Thyristors 100' bestehen, wie in 2 gezeigt. Der Hilfsthyristor kann alternativ als ein Pilotthyristor oder als eine verstärkende Gatestruktur bezeichnet werden. Dabei kontaktiert das Hilfsgate 130 die p-Basis 108 in einem Gebiet des Hilfsthyristors 120. Der Hilfsthyristor 120 umfasst auch eine weitere n⁺-Emitterschicht 122. Diese weitere n⁺-Emitterschicht 122 wird durch eine weitere Kathodenmetallisierung 124 des Hilfsthyristors kontaktiert. Die weitere Kathodenmetallisierung 124 des Hilfsthyristors ist intern mit der Hauptgatemetallisierung 118 verbunden, die die darunterliegende p-Basisschicht 108 im Gebiet des Hauptthyristors 126 kontaktiert. Eine in dem Hauptthyristorgebiet 126 enthaltene n⁺-Emitterschicht 106 wird von der Kathodenmetallisierung 114 des Hauptthyristors kontaktiert. In der Regel ist die weitere Kathodenmetallisierung 124 des Hilfsthyristors 120 nicht von der Außenseite des Thyristors 100' zugänglich.
Beispielhaft ist die Pilotthyristorstruktur zwischen dem zentralen Gate und dem Hauptthyristor integriert. An dem zentralen Gate weist der Pilotthyristor eine weitere n⁺-Emitterschicht 122 und zu dem Hauptthyristor eine p⁺-Emitterschicht auf. Diese Schichten sind über eine Metallisierung miteinander verbunden. Die p⁺-Emitterschicht wirkt als ein Kurzschluss an der Grenze für die weitere n⁺-Emitterschicht 122. Der Strom in der weiteren n⁺-Emitterschicht 122 wird über die Metallisierung in einen Lochstrom umgewandelt, der wiederum als ein Injektionsstrom für den Hauptthyristor wirkt. Die p⁺-dotierte Emitterschicht führt den Lochstrom, der die entgegengesetzte Sektion des Hauptthyristors injiziert. Zu diesem Zweck reicht eine p⁺-Umfangsemitterschicht. Die Ladungsausbreitung wird über die Metallisierung erreicht. Weiterhin können in der weiteren n⁺-Emitterschicht 122 Kurzschlüsse vorliegen.
Obwohl ein hoher Gateübersteuerungsfaktor, d.h. ein Verhältnis des verwendeten Gatestroms und des kleinsten Gateauslösestroms, das Auslösen des Thyristors 100' beschleunigen kann, kann eine weitere Verbesserung diesen Prozess substantiell unterstützen. Wie aus 2 zu sehen ist, beginnt der ausgelöste Zustand des Hautpthyristors 126, d.h. das injizierte Elektronen-Loch-Plasma, an einer Grenze des Hilfsthyristors 120, der herkömmlicherweise ein Ring mit etwa 1 cm Durchmesser in einer Mitte des Thyristors 100' sein könnte. Das Plasma muss sich dann zu dem ganzen Thyristorbereich ausbreiten, was mehrere Millisekunden dauern kann. Erst danach wird der Thyristor seine eingeschwungene Durchlassspannungscharakteristik im eingeschalteten Zustand aufweisen. Zum Verkürzen des kleinsten Abstands zu den Flächenelementen des Thyristorbauelements kann eine verteilte verstärkende Gatestruktur, wie in 5 gezeigt und wie weiter unten ausführlicher beschrieben, verwendet werden. Dies bedeutet, dass eine Gatedotierung des Hauptthyristors eine komplexere Struktur aufweisen kann, wie beispielhaft in 5 gezeigt, und beispielsweise ein T-Gatedesign umfassen kann, das üblicherweise für großflächige PCTs verwendet wird. Ein derartiges T-Design kann den Abstand für die Plasmaausbreitung substantiell verkürzen, so dass der Thyristor etwa 1 ms nach dem gateauslösenden Impuls ganz eingeschaltet sein kann. Da die Plasmaausbreitung zu der Zeit in Beziehung stehen kann, während der bereits ein substantieller Durchlassstrom und eine immer noch hohe Blockierspannung vorliegen, kann diese Einschaltdauer auf den Einschaltenergieverlust einen starken Einfluss haben.
Ein Thyristor 100' mit einer homogen dotierten n⁺-Kathodenemitterschicht 106, wie in 2 gezeigt, kann gegenüber Einschwingvorgängen mit positiven Spannungsvariationen dv/dt sehr empfindlich sein. Ohne die Durchlasscharakteristik signifikant zu behindern, kann dieser Nachteil gemildert werden, wenn kleine Gebiete der n⁺-Emitterschicht in der Kathodenemitterschicht 106 ausgelassen werden und die entsprechende p-dotierte Basisschicht 108 die mit der Kathodenmetallisierung 114 metallisierte Kathodenseitenoberfläche 102 erreichen kann, wie in 3 gezeigt. Die p-dotierten Gebiete mit fehlender n⁺-Dotierung auf der Kathodenseite 102 werden in der Regel als Kathodenemitterkurzschlüsse 128 bezeichnet, da sie den Kathodenübergang kurzschließen können. Die Emitterkurzschlüsse 128 können einen ohmschen Kurschluss über den p-Basis-Emitter-Übergang bilden und können einen signifikanten Teil des Stroms bei niedrigen Stromdichten leiten, d.h. in allen Phasen, wo eine Durchlassblockierung erforderlich ist. Deshalb kann ein unerwünschtes dv/dt-Auslösen, in den meisten Fällen in der Praxis vermieden werden.
Wie in der Draufsicht von 4 gezeigt, können die Emitterkurzschlüsse 128 in der Form von kleinen Punkten vorgesehen werden, die in einem regelmäßigen Muster über der ganzen Kathodenseitenoberfläche 102 angeordnet sind. Die Kurzschlüsse 128 beeinflussen nicht nur das axiale Auslöseverhalten, sondern ein gutes Kurzschlussdesign kann auch eine hohe laterale Plasmaausbreitungsgeschwindigkeit ergeben und deshalb zu einer hohen zulässigen Stromvariation di/dt führen. Es kann von hoher Wichtigkeit sein, dass es keinen Ort gibt, an dem die Kurzschlussdichte unter einen Mindestwert abfällt, weil dieser Ort während des erneuten Anlegens einer vorwärtssperrenden Spannung nach dem Abschalten einen schwachen Punkt bilden kann.
Beispielhafte Durchmesser der Punkte, d.h. die größte Erstreckung des Punkts auf der Oberfläche, kann zwischen 30 µm und 500 µm liegen, beispielhaft zwischen 50 und 400 µm und beispielhaft zwischen 100 und 400 µm. An der Oberfläche beträgt der Flächeninhalt der Punkte 2,5% bis 20% des Gesamtflächeninhalts in dem Gebiet der Kathodenemitterschicht abwechselnd mit den Emitterkurzschlusspunkten. Das bedeutet, dass zwischen 12 Emitterkurzschlusspunkte/cm² bis zu 30000 Punkte/cm² auf der Kathodenseite platziert werden. Falls die Punkte beispielhaft klein sind, werden mehr Punkte vorliegen, als wenn die Punkte einen großen Durchmesser aufweisen.
Beispielhaft werden in dem Bereich näher an dem benachbarten Hauptgatebalken die Punkte einen Bereich von 2,5% bis 8% des Gesamtbereichs bedecken, wohingegen in dem Bereich näher an der assoziierten dazwischenliegenden Mittellinie die Dichte bis zu 20% betragen wird, beispielhaft zwischen 8 und 20% oder sogar zwischen 10 und 20%.
Falls die Dichte näher an dem Hauptgatebalken niedriger ist, wird die Anzahl von Punkten zwischen 12 und 10000 cm² liegen, beispielhaft mindestens 100/cm² bis zu 3500/cm².
Falls die Dichte näher an der assoziierten Mittellinie höher ist, wird die Anzahl an Punkten zwischen 40 und 30000 variieren, beispielsweise mindestens 200/cm².
Dementsprechend ist es offensichtlich, dass ein Design der Dotierstruktur auf der Oberfläche der Kathodenseite 102 mit der verstärkenden Gatestruktur wie oben bezüglich 2 erläutert, sowie mit dem Kurzschlussmuster wie oben bezüglich 3 und 4 erläutert optimiert werden muss, um zufriedenstellende Arbeitscharakteristika des Thyristors zum Beispiel bezüglich einer Blockierfähigkeit in Durchlassrichtung, der Auslösegeschwindigkeit, der Ruhezeit und den Übergangscharakteristika wie etwa dv/dt-Stabilität zu erhalten.
Nachfolgend werden weitere Aspekte des Thyristors bezüglich der 5-8 beschrieben. Die Figuren zeigen Diffusionsmaskenmuster, die zum Definieren der Emittergebiete 106 vom n⁺-Typ an der Oberfläche der Kathodenseite 102 des Thyristors 100 verwendet werden. In den Figuren bezeichnen die weißen Gebiete Bereiche, die mit Phosphor dotiert sein können, um die dotierte Emitterschicht 106 vom n⁺-Typ zu erhalten, wobei die dunklen Gebiete eine Phosphorabscheidung verhindern. 5 und 6 zeigen ein herkömmliches Maskendesign. 7 und 8 zeigen ein Maskendesign für einen Thyristor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Vor dem Erörtern von Details der Offenbarung durch Vergleichen von Strukturen des herkömmlichen Designs mit dem Design gemäß der Ausführungsform der Offenbarung werden einige Überlegungen, die derartigen Details zugrundeliegen, erörtert.
Die folgende Offenbarung beschreibt hauptsächlich eine Anzahl von Qualitativen Verbesserungen beim Auslegen des Maskensatzes für sehr große PCT-Designs. Sie behandelt hauptsächlich eine laterale Struktur auf der Gateseite des Thyristors und nicht irgendwelche Fragen hinsichtlich des Beginnens eines Siliziumwaferdesigns, Diffusionen, Waferkantenkonturierung (z.B. Abschrägung) oder Passivierung. Die Designs gemäß dieser Offenbarung eignen sich insbesondere für große Thyristoren mit verstärkenden Gatestrukturen, unabhängig von der Spannungsklasse oder der Bauelementeanwendung. Ein weiteres Ziel kann darin bestehen, eine gute di/dt-Leistung und eine niedrige Einschaltenergie sowie eine günstige Beziehung zwischen Einschaltspannung und Spitzenstrom einerseits und Rückwärtserholungsladung beziehungsweise Freiwerdezeit, d.h. Ruhezeit t_q andererseits zu erhalten.
Um die volle Blockierfähigkeit eines Thyristors zu erhalten, sollte der ganze Leckstrom der pnp-Struktur auf der Kathodenseite (d.h. Löcherstrom) mit einem ausreichend niedrigen ohmschen Widerstand durch die p-Kontaktbereiche der p-Basisschicht 108 zu der Kathodenmetallisierung 114 geleitet werden, so dass keine Elektronen injiziert werden. Zu diesem Zweck kann eine hohe Mindestdichte von Emitterkurzschlüssen 128 wünschenswert sein.
Der Einschaltprozess erfordert ein seitliches Ausbreiten des Elektronen-Loch-Plasmas. Deshalb muss ein geeignetes n⁺-Emitterschichtdesign gefunden werden, um Elektronen zu injizieren, um dadurch eine Plasmafront zu generieren, die sich seitlich entlang der n⁺-Emitterschicht derart ausbreitet, dass schließlich die ganze Oberfläche des verbundenen Hauptkathodenemitters in den leitenden Zustand geschaltet ist. Dieser Prozess der Plasmaausbreitung kann durch die Emitterkurzschlüsse 128 gestört werden. Weiterhin trägt der Bereich der Emitterkurzschlüsse 128 möglicherweise nicht zu dem Leitungsprozess bei. Um den Einschaltprozess zu optimieren, kann somit eine geringe Dichte an Emitterkurzschlüssen 128 vorteilhaft sein.
Der Einschaltprozess kann auch von der Länge und dem strukturellen Design der anfänglich ausgelösten Kontur abhängen. Deshalb sollte insbesondere für sehr große Thyristorbereiche diese „Einschaltleitung“ ebenfalls vergrößert werden. Für diesen Zweck wird jedoch möglicherweise ein stärkerer Auslöseimpuls erforderlich. Ein derartiger Impuls wird möglicherweise nicht von einem externen Auslösebauelement oder einer „Gateeinheit“ direkt geliefert. Deshalb enthalten große Thyristoren im Allgemeinen eine interne Auslöseverstärkung. Dies wird in der Regel durch mindestens einen Pilotthyristor erreicht. Die Gateeinheit löst den Pilotthyristor aus, und der Pilotthyristor löst dann den Hauptthyristor aus. Somit sind auf der Kathodenseite in der Regel drei Metallelektroden vorgesehen: (i) ein zentraler Gatekontakt, der in der Regel rund ist und der über einen dünnen Draht mit der Gateeinheit verbunden sein kann; (ii) eine Kathode des Pilotthyristors, wobei die Kathode mit den Gatefingern (Verlängerungen) der verlängerten Gatestruktur 306 verbunden ist und elektrisch potentialfrei ist; und (iii) die Hauptkathode, die in der Regel durch Pressen einer Molybdänscheibe darauf kontaktiert wird. Eine Trennung der verlängerten Gatestruktur und der kathodenseitigen Molybdänscheibe kann durch die Bereitstellung der Metallisierung der Hauptkathode mit einer größeren Dicke erhalten werden, wodurch ein Kontakt der Molybdänscheibe mit der verlängerten Gatestruktur verhindert wird. Für den zentralen Gatekontakt ist jedoch möglicherweise eine Öffnung in der Molybdänscheibe erforderlich.
In dem leitenden Zustand ist der ganze Bereich unter der Hauptkathodenmetallisierung 114 des Thyristors mit Ladungsträgern beider Polaritäten geflutet, d.h. Elektronen und Löchern, wodurch ein Plasma entsteht. Der Phasensteuerungsthyristor kann durch Kommutieren des Stroms passiv abgeschaltet werden. Sobald der Strom seine Richtung gewechselt hat, stoppt die Injektion auf beiden Seiten und das Plasma kollabiert durch Rekombination ungefähr exponentiell. Die Rekombinationsrate kann durch Beeinflussen der Trägerlebenszeit beispielsweise durch Bestrahlen des fertiggestellten Wafers bestimmt werden. Falls die Spannung zwischen den Hauptelektroden während dieses Kollabierens des Plasmas wieder kommutiert wird, kann ein vergrößerter Leckstrom fließen, was zu einem automatischen erneuten Auslösen führen kann. Erst nach der charakteristischen Zeit t_q, auch als die Ruhezeit bezeichnet, kann ein erneutes Auslösen verhindert werden und der Thyristor erhält seine ganze Blockierfähigkeit. Diese Ruhezeit kann von der Dichte des vorausgegangenen Plasmas, der Rekombinationsrate und der Effizienz der Volumenkurzschlussverteilung abhängen. Ein etwaiger lokaler Defekt der Volumenkurzschlussverteilung kann zu einer lokalen Reduktion des Schwellwerts für eine erneute Auslösung führen und damit zu einer vergrößerten Ruhezeit führen.
Jedoch kann ebenfalls ohne einen vorausgegangenen Strom in Durchlassrichtung eine schnelle Erhöhung der Blockierspannung zu einem axialen Verschiebungsstrom aufgrund einer Kapazität des Raumladungsgebiets des Thyristors führen. Dies kann zu einem fehlerhaften Auslösen führen und sollte durch eine ausreichende dv/dt-Stabilität verhindert werden. Im Gegensatz zu dem Fall des Abschaltens fließt dieser Kapazitätsstrom homogen von dem ganzen Bereich, d.h. von dem Gate, dem Piloten und der auslösenden Struktur. Somit kann die dv/dt-Stabilität auch die zulässige Auslöseempfindlichkeit der „Einschaltleitung“ begrenzen und erfordert eine spezifische Dichte des Kurzschlussmusters an der Grenze des Hauptthyristors (und des Pilotthyristors auf einer Innenseite).
Dementsprechend muss das Auslegen von großflächigen Thyristoren verschiedene Einflüsse ausbalancieren.

a) Der Durchlassspannungsabfall erfordert ein Kurschlussmuster mit geringer Dichte und lange Trägerlebenszeiten, wohingegen die Ruhezeit eine spezifische kleinste Kurzschlussmusterdichte und Trägerlebenszeitgrenzen erfordert.
b) Der Einschaltprozess erfordert ein Kurzschlussmuster mit geringer Dichte und lange Einschaltleitungen, während der Durchlassspannungsabfall eine maximale Bereichsnutzung und somit geringe Bereichsverluste für die Auslösestruktur erfordert.
c) Der Einschaltprozess erfordert eine hohe Auslöseempfindlichkeit der Einschaltleitung, während die dv/dt-Stabilität eine Beschränkung dieser Empfindlichkeit erfordert.
d) Eine für das Auslösen nicht sehr empfindliche lange Einschaltleitung erfordert einen großen Pilotthyristor, was jedoch dann bedeutet, dass große Bereichsverluste für den in Durchlassrichtung leitenden Zustand negativ sind. Weiterhin kann das Kühlen des zentralen Gebiets des Thyristors schwierig sein, da ein derartiges Kühlen in der Regel durch Pressen der Molybdänscheibe auf die Oberfläche des Hauptthyristors in thermischen Kontakt realisiert wird.

Die 5 und 6 zeigen ein herkömmliches Design einer Maske 200 zum Definieren der n-Emitterschicht, wie dies für einen Thyristor nach dem Stand der Technik mit einem Durchmesser von 4 Inch typisch ist. Bei Designansätzen nach dem Stand der Technik wurde zuerst ein Kurzschlussmuster in einem Volumengebiet (nachfolgend als Volumenkurzschlussmuster 202 bezeichnet) ausgelegt und optimiert. Dabei wurde das Volumenkurzschlussmuster über die ganze Thyristoroberfläche hinweg im Wesentlichen homogen ausgelegt. In diesem Volumenkurzschlussmuster waren die Größe der Kurzschlusspunkte 204 und die Abstände zwischen benachbarten Kurzschlusspunkten 204 im Wesentlichen konstant. Nach dem Auslegen eines solchen homogenen Kurzschlussmusters musste die verlängerte Gatestruktur 206 in das Design integriert werden. Somit musste das Volumenkurzschlussmuster 202 in einem Gebiet in der Nähe der Gatestruktur 206 angepasst werden. Wie aus der vergrößerten Ansicht von 6 klar hervorgeht, wurden zusätzliche Kurzschlusspunkte 208 entlang einer Grenze der Gatestruktur 206 in einem Gebiet 210 nahe der Gatestruktur 206 integriert.
Eine derartige Anpassung des Kurzschlussmusters in einem Gebiet nahe der Gatestruktur kann jedoch zu einem negativen Einfluss auf die Thyristorarbeitscharakteristika führen. Zuerst ist ein derartiges Gebiet 210 auch für die Anpassung der Ruhezeit t_q und der dv/dt-Stabilität verantwortlich. Zweitens muss dieses Gebiet 210 während des Einschaltens des Thyristors von der Plasmafront gekreuzt werden. Unter der Berücksichtigung, dass die Effizienz der Kurzschlüsse bezüglich der Ruhezeit und der dv/dt-Stabilität durch den schwächsten Punkt bestimmt wird, ist offensichtlich, dass eine etwaige Anpassung des Kurzschlussmusters konservativ durchgeführt werden muss, d.h. zu einer lokal überdimensionierten Kurzschlussdichte führen kann. Während des Einschaltens jedoch muss die Plasmafront eine derartige zusätzliche Barriere, die sich aus einer großen Kurzschlussdichte ergibt, überwinden. Weiterhin kann die Komplexität der Kurzschlussmustergeometrie im Fall einer komplexeren Geometrie der Einschaltleitung sogar noch zunehmen.
Somit bestand eine der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Idee in dem Entkoppeln einer etwaigen Anpassung des Kurzschlussmusters von der Geometrie der Einschaltleitung in der Nachbarschaft der Gatestruktur. Mit anderen Worten können die Verteilungsstruktur und die Geometrie der Einschaltleitung von etwaigen Beschränkungen entlastet werden, die darauf zurückzuführen sind, dass sie mit dem Volumenkurzschlussmuster angepasst werden. Dies kann durch eine andere und neue Orientierung des Volumenkurzschlussmusters und eine neue Platzierung etwaiger unvermeidlicher Anpassungszonen in Bereichen, die gegenüber einer Plasmaausbreitung nicht sehr empfindlich sind, erzielt werden.
Dementsprechend wird, wie in 7 und 8 gezeigt, ein neues Kurzschlussmuster vorgeschlagen. Bei dem neuartigen Design der Maske 300 ist das Kurzschlussmuster in Gebieten 310 näher an einer Hauptgatestruktur 306 homogener als in Gebieten 312 näher an einer assoziierten Mittellinie 314, die eine Symmetrielinie zwischen benachbarten Hauptgatebalken 316 ist, die Abschnitte der Hauptgatestruktur 306 bilden. Während das Kurzschlussmuster in der Nachbarschaft des Hauptgatebalkens im Wesentlichen homogen ist, können somit zusätzliche Kurzschlusspunkte 308 in dem Gebiet 312 nahe der Mittellinie 314 eingeführt werden, was zu einem dichteren Kurzschlusspunktmuster in diesem Gebiet führt. In diesem Fall ist die Dichte der Emitterkurzschlusspunkte in einem Gebiet näher an einen Hauptgatebalken kleiner und in einem Gebiet näher an einer assoziierten Mittellinie 314 größer.
Alternativ ist das Kurzschlussmuster in der Nachbarschaft des Hauptgatebalkens im Wesentlichen homogen, und weniger Kurzschlusspunkte 308 liegen in dem Gebiet 312 nahe der Mittellinie 314 vor, was zu einem kleineren Kurzschlussmuster in diesem Gebiet führt. Bei beiden Alternativen wird sichergestellt, dass die Verteilung von Kurzschlusspunkten nahe an dem Hauptgatebalken gleichförmiger ist als weit weg von den Hauptgatebalken (d.h. auf der assoziierten dazwischenliegenden Mittellinie).
Somit ist das Kurzschlussmuster des Hauptthyristorbereichs nicht notwendigerweise ein kontinuierliches Muster um das ganze verteilende Gate herum. Das Kurzschlussmuster entlang aller Teile der Einschaltleitung ist jedoch absolut regelmäßig, was zu einem gleichmäßigen Einschalten entlang der ganzen Kontur der Einschaltstruktur führt. Anpassungen des Kurzschlussmusters sind von der Einschaltleitung entkoppelt und in Gebiete weit weg von den Gatebalken bewegt, wobei die Gebiete von der Plasmafront nicht gekreuzt werden müssen. Mit anderen Worten können die Gebiete, wo die verschiedenen Segmente der Hauptthyristorbereiche sich treffen und angepasst werden müssen, entweder Symmetriegebiete sein, wo sich zwei Plasmafronten treffen, oder sie verlaufen orthogonal zu der Plasmaausbreitung, so dass sie deshalb keinen Einfluss für den Plasmaausbreitungsprozess haben und für die di/dt-Fähigkeit hauptsächlich irrelevant sind.
Mit den neuen Designregeln werden keine oder nur geringfügige Inhomogenitäten in dem Kurzschlussmuster, die aus Differenzen bei der Kurzschlusspunktgröße oder Abständen zwischen benachbarten Kurzschlusspunkten resultieren, in der Nachbarschaft der Hauptgatestruktur realisiert. Nur in den Ecken oder an Enden der Hauptgatestruktur ist möglicherweise eine gewisse geringfügige Anpassung erforderlich.
Mit dieser einfachen Designregel zum Anpassen des Kurzschlussmusters kann die Gatestruktur 306 mit verjüngten Hauptbalken 316 mit einer Balkenbreite ausgelegt werden, die von dem Mittelgebiet in Richtung des Umfanggebiets der Kathodenseitenoberfläche beziehungsweise Maske 300 abnimmt. Mit solchen verjüngten Balken 316 kann die Stromdichte in der Metallisierung der Balken konstant gehalten werden. Da der Einschaltstrom pro Einschaltleitungslänge in der Regel konstant ist, kann dies zu regelmäßig verjüngten Balken führen, die Platz sparen und den Hauptthyristoremitterbereich optimieren können. Es kann angemerkt werden, dass verjüngte Hauptbalken auch zu einer vorteilhaften Verteilung der Stromdichte für einen Fall eines herkömmlichen Kurzschlussmusters führen können, d.h., wo das Kurzschlussmuster nicht wie oben beschrieben angepasst wurde.
Schließlich kann das vorgeschlagene Thyristordesign einen Pilotthyristor auf der Kathodenseite umfassen, wobei der Pilotthyristor eine Pilotgatestruktur 318 umfasst, die longitudinale Pilotgatebalken umfasst, die sich in ein Gebiet der Hauptgatebalken 316 erstrecken. Mit anderen Worten erstreckt sich die Pilotemitterverlängerung 320 des Pilotthyristors (der in 7 und 8 durch die breiten Bereiche der zentralen und Balkenstruktur dargestellt ist) in den breiten Teil der Hauptgatebalken 316, wodurch sich das Plasma des Pilotthyristors bei hohen Pilotthyristorströmen in die Balken erstrecken kann, was in gewissen Fällen eine Überlastung verhindert. Weiterhin kann dieses Design die breitesten Teile der maskierten Kathodenemitterschicht eliminieren, was zu einem homogeneren Punktdefektgettern des ganzen Thyristorbereichs während der Bearbeitung führt.
In einer geringfügig anderen Formulierung zusammengefasst, betrifft die Offenbarung eine laterale Struktur von großflächigen Thyristoren mit einer erweiterten Verteilung der Hauptthyristoreinschaltleitung für eine gute di/dt-Leistung. Zuerst können die Verteilungsstruktur und die Geometrie der Einschaltleitung von etwaigen Beschränkungen entlastet werden, die auf ihr Anpassen mit dem Bereichskurzschlussmuster zurückzuführen sind. Dies kann durch eine andere und neue Orientierung des Bereichskurzschlusses und eine neue Platzierung der unvermeidlichen Anpassungszonen in für die Plasmaausbreitung irrelevante Teile erreicht werden. Die neue Freiheit der Einschaltleitungsgeometrie kann zum Anpassen der Breite der sekundären Gatebalken auf den lokalen Einschaltstrom, den sie führen müssen, verwendet werden, was zu einem konischen anstatt des üblichen Designs gleicher Breite führt. Dies kann den für die Balken verwendeten (und beim Hauptthyristorbereich verlorenen) Gesamtbereich für eine gegebene Länge der Einschaltleitung erheblich reduzieren, was zu einer effizienteren Nutzung des Siliziumbereichs führt. Dann können die breitesten Teile der Verteilungsbalken bei der zentralen Gatestruktur verwendet werden, um den Pilotkathodenemitter in die Balken zu verlängern. Dies ermöglicht nicht nur, das Pilotplasma etwas in die besser gekühlten Gebiete von der Mitte entfernt zu verlängern, sondern gleicht auch die laterale Oberflächendotierverteilung aus, wodurch das Trägerlebensdauergettern des Bauelements homogenisiert wird.
Dieses neue Design kann zu den folgenden Hauptvorteilen eines gemäß der Offenbarung hergestellten großflächigen Thyristors führen:

- Mit der Ausnahme der Ecken kann die Einschaltleitung des Hauptthyristors überall gleichmäßig kurzgeschlossen sein, was zu einem homogenen Einschalten entlang der ganzen Einschaltleitung führt und irgendwelche bevorzugten oder beeinträchtigten Plätze beim Einschalten ausschließt.
- Ein Minimum des Hauptthyristorbereichs kann für eine gegebene Balkenkonfiguration und Einschaltleitungslänge verlorengehen.
- Der Pilot ist aufgrund der möglichen Plasmaausbreitung in die Balken bei einem Spitzenpilotstrom gegenüber einer Überlastung etwas geschützt.
- Während der Bearbeitung kann die große Oberflächendotierung über den Wafer hinweg gleichförmiger verteilt werden, was zu einer niedrigeren mechanischen Spannung und einer homogeneren Getterwirkung führt.
- Die unvermeidlichen Anpassungszonen des Kurzschließens können zu für die Plasmaausbreitung irrelevanten Plätzen bewegt werden und können deshalb übermäßig kurzgeschlossen werden, wodurch das Risiko von „Flecken mit hohem t_q“ eliminiert wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform werden die Leitfähigkeitstypen aller Schichten geschaltet, z.B. sind die Basisschicht 110 und die Kathodenemitterschicht 106 vom p-Typ und die Basisschicht 108 und die Anodenschicht 112 vom n-Typ.
Es ist zu verstehen, dass der Ausdruck „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt und dass der unbestimmte Artikel „ein/eine“ den Plural nicht ausschließt.
Außerdem können in Assoziation mit verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Elemente kombiniert werden. Es sei auch angemerkt, dass Referenzzeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollten.
Bezugszeichenliste

100: Phasengesteuerter Thyristor
102: Kathodenseite
104: Anodenseite
106: n⁺-Kathodenemitterschicht
108: p-Basisschicht
110: n-Basisschicht
112: p-Anodenschicht
114: Kathodenmetallisierung
116: Anodenmetallisierung
118: Gatemetallisierung
120: Hilfsthyristor
122: Weiterer n⁺-Kathodenemitter des Hilfsthyristors
124: Weitere Kathodenmetallisierung des Hilfsthyristors
126: Hauptthyristor
128: Kurzschlusspunkte
130: Gate des Hilfsthyristors
200: Maske für n-Gebietsdefinition
202: Volumenkurzschlussmuster
204: Kurzschlusspunkte
206: Verteilte Gatestruktur
208: Zusätzliche Kurzschlusspunkte
210: Gebiet nahe an der Gatestruktur
300: Maske für n-Gebietsdefinition
306: Gatestruktur
308: Zusätzliche Kurzschlüsse
310: Gebiet nahe am Hauptgatebalken
312: Gebiet nahe an der Mittellinie
314: Mittellinie
316: Hauptgatebalken
318: Pilotgatestruktur
320: Pilotemitterverlängerung in verteilte Hauptgatebalken

Claims

Phasensteuerungsthyristor (100), der Folgendes umfasst: eine Hauptgatestruktur (306) auf einer Kathodenseite (102) des Phasensteuerungsthyristors (100); und mehrere in einem Kurzschlussmuster auf der Kathodenseite (102) des Phasensteuerungsthyristors (100) angeordnete lokale Emitterkurzschlusspunkte (128); wobei die Hauptgatestruktur (306) longitudinale Hauptgatebalken (316) umfasst, die sich von einem Mittengebiet einer Kathodenseitenoberfläche zu einem Umfangsgebiet erstrecken, wobei benachbarte Hauptgatebalken (316) mit einem Abstand bezüglich einer assoziierten dazwischenliegenden Mittellinie (314) angeordnet sind, und wobei das Kurzschlussmuster in einem Gebiet (310) näher an einem Hauptgatebalken (316) homogener ist als in einem Gebiet (312) näher an der assoziierten Mittellinie (314), wobei die Emitterkurzschlusspunkte (128) in dem Gebiet näher an dem Hauptgatebalken (316) größere Abstände und/oder kleinere Größen als die Emitterkurzschlusspunkte (128) in dem Gebiet näher an der assoziierten Mittellinie (314) aufweisen.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach Anspruch 1, wobei die Emitterkurzschlusspunkte (128) einen Durchmesser zwischen 30 und 500 µm, insbesondere zwischen 50 und 400 µm, insbesondere zwischen 100 und 400 µm, aufweisen.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Emitterkurzschlusspunkte (128) an der Kathodenseitenoberfläche einen Flächeninhalt von 2,5% bis 8% des Gesamtflächeninhalts in dem Gebiet (310) näher an dem Hauptgatebalken (316) aufweisen.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Emitterkurzschlusspunkte (128) an der Kathodenseitenoberfläche einen Flächeninhalt von 8 bis 20% des Gesamtflächeninhalts in dem Gebiet (310) näher an der assoziierten Mittellinie (314), insbesondere 10 bis 20%, aufweisen.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Anzahl von Emitterkurzschlusspunkten (128) zwischen 12 und 10000/cm² im Gebiet (310) näher an dem Hauptgatebalken (316), insbesondere zwischen 100 und 3500/cm², liegt.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Anzahl von Emitterkurzschlusspunkten (128) zwischen 40 und 30000/cm² im Gebiet (310) näher an der assoziierten Mittellinie, insbesondere bei mindestens 200/cm², liegt.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Emitterkurzschlusspunkte (128) in dem Gebiet näher an dem Hauptgatebalken (316) im Wesentlichen gleiche Abstände aufweisen.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Emitterkurzschlusspunkte (128) in dem Gebiet näher an dem Hauptgatebalken (316) im Wesentlichen gleiche Größen aufweisen.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die benachbarten Hauptgatebalken (316) bezüglich der dazwischenliegenden assoziierten Mittellinie (314) symmetrisch angeordnet sind.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Hauptgatebalken (316) verjüngt sind, wobei eine Balkenbreite von dem Mittengebiet zu dem Umfangsgebiet abnimmt.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach Anspruch 10, wobei die lokale Breite der Hauptgatebalken (316) während des regelmäßigen Thyristorbetriebs an eine lokale Stromdichte angepasst ist.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Balkenbreite von dem Mittengebiet zu dem Umfangsgebiet kontinuierlich abnimmt.
Phasensteuerungsthyristor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin umfassend einen Pilotthyristor (120) auf der Kathodenseite (102), wobei der Pilotthyristor eine Pilotgatestruktur (318, 320) umfasst, die longitudinale Pilotgatebalken (320) umfasst, die sich in ein Gebiet der Hauptgatebalken (316) erstrecken.