DE1489168C3

DE1489168C3 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1489168C3
Application number: DE19641489168
Authority: DE
Inventors: Willem Gerard; Baas Willem; Drachten Einthoven (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1963-08-07
Filing date: 1964-08-05
Publication date: 1976-09-02

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, bei dem eine der äußeren Zonen die Emitterzone bildet und die an die Emitterzone grenzende Steuerzone einen von der Emitterzone bedeckten Teil und seitlich davon einen von der Emitterzone nicht bedeckten, die Steuerelektrode tragenden Teil aufweist sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen steuerbaren Gleichrichters.

Steuerbare Halbleitergleichrichter weisen in der Durchlaßrichtung zwei stabile Zustände auf. Bei zunehmender Spannung zwischen den äußeren Zonen in der Durchlaßrichtung befindet der Gleichrichter sich zuerst in einem schlecht leitenden stabilen Zustand, bei dem ein kleiner, im wesentlichen konstanter Strom den Gleichrichter durchfließt. Erreicht diese Spannung eine bestimmte Größe, die Kippspannung, so kommt der steuerbare Gleichrichter in einen gut leitenden stabilen Zustand, bei dem die Spannung am Gleichrichter plötzlich stark abnimmt und bei dem dann bei zunehmender Spannung der Strom durch den Gleichrichter zunimmt.

Steuerbare Gleichrichter können vom schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand mittels eines Steuerstromes über die Steuerelektrode gesteuert (gezündet) werden. Auf diese Weise kann man mittels eines kleinen Stromes, des Steuerstromes, einen viel größeren Strom durch den Gleichrichter schalten. Der steuerbare Gleichrichter kann so z. B. als elektrischer Schalter wirken. .

Steuerbare Halbleitergleichrichter der beschriebenen Art sind z. B. aus der FR-PS 13 22 767 bekannt

In der Praxis ist es in vielen Fällen erwünscht, daß der Steuerstrom, bei dem der steuerbare Gleichrichter vom schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand gesteuert wird, der Zündstrom, klein ist, während die Kippspannung hoch ist. Dies sind entgegengesetzte Anforderungen, da im allgemeinen bei steuerbaren Gleichrichtern mit einer höheren Kippspannung ein größerer Zündstrom erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei steuerbaren Halbleitergleichrichtern auf einfache Weise kleinere Zündströme möglich zu machen und im besonderen Gleichrichter zu schaffen, bei denen eine hohe Kippspannung kombiniert mit einem kleinen Zündstrom möglich ist

Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß die Steuerung vom schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand beim Erreichen einer bestimmten Steuerstromdichte im unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone stattfindet und daß es ausreichend ist, wenn diese bestimmte Steuerstromdichte in einem begrenzten Teil des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone erreicht wird.

Gemäß der Erfindung ist ein steuerbarer Halbleitergleichrichter der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom in der Steuerzone zwischen der Steuerelektrode und dem von der Emitterzone bedeckten Teil der Steuerzone den der Steuerelektrode zugewandten Rand des von der Emitterzone bedeckten Teiles der Steuerzone dadurch im wesentlichen nur örtlich passieren kann, daß sich die an die Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzende Schicht des nicht bedeckten Teiles der Steuerzone nur örtlich an den Rand des von der Emitterzone bedeckten Teiles der Steuerzone anschließt.

Unter dem der Steuerelektrode zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone ist hier der Teil des Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone zu verstehen, von dem jeder Punkt mittels eines im freiliegenden Teil der Steuerzone liegenden geradlinigen Stücks mit der Steuerelektrode verbunden werden kann.

Die mit der Erfindung erstellten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Steuerstrom im wesentlichen nur einen kleinen Teil des erwähnten der Steuerelektrode zugewendeten Randes passieren kann bei einem bestimmten Steuerstrom örtlich im unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone, nämlich beim erwähnten Teil des der Steuerelektrode zugewendeten Randes, eine größere Stromdichte auftritt als wenn der Steuerstrom den der Steuerelektrode zugewendeten Rand über seiner ganzen Länge leicht passieren kann. Dies bedeutet, daß die Steuerung vom schlecht leitenden Zustand in den gut leitenden Zustand bei einem kleineren Steuerstrom stattfindet, mit anderen Worten, daß der Zündstrom kleiner ist.

Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für steuerbare Halbleitergleichrichter, bei denen die Emitterzone und die Steuerzone durch Diffusion von Dotierungssubstanzen erhalten sind.

Ist die Emitterzone z. B. durch Aufschmelzen eines eine Dotierungssubstanz enthaltenden Materials erhalten, so ist die Grenzfläche zwischen der Emitterzone und der Steuerzone gewöhnlich weniger regelmäßig als bei einer durch Diffusion von Dotierungssubstanz erhaltenen Emitterzone; dies hat zur Folge, daß bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter mit einer durch Aufschmelzen eines eine Dotierungssubstanz enthaltenden Materials erhaltenen Emitterzone der Steuerstrom durch die erwähnten Unregelmäßigkeiten bereits etwas kleiner sein kann, wodurch eine Maßnahme gemäß der Erfindung bei einem solchen Gleichrichter eine etwas geringere Wirkung als bei einem Gleichrichter mit einer durch Diffusion von Dotierungssubstanz erhaltenen Emitterzone hat.

Bei einer wichtigen Ausführungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach der Erfindung ist der freiliegende Teil der Steuerzone örtlich bis in die Nähe des der Steuerelektrode zugewendeten Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt, wodurch der Steuerstrom im wesentlichen nur den genannten Rand über einen Teil seiner Länge passieren kann. Letzteres wird jedoch auch erzielt, wenn z. B. die Steuerzone eine durch örtliche Diffusion in eine Oberfläche des Halbleiterkörpers erhaltene Zone ist, wobei der freiliegende Teil der Steuerzone sich nur über einen kleinen Teil der Länge des der Steuerelektrode zugewendeten Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone an diesen letzteren Teil der Steuerzone anschließt.

Eine weitere wichtige Ausführungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß im freiliegenden Teil der Steuerzone und an der Oberfläche dieses Teiles eine diffundierte Oberflächenschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie dem der Steuerzone, aber mit einer größeren Leitfähigkeit als derjenigen des unter dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles des freiliegenden Teiles angeordnet ist, und daß diese Oberflächenschicht örtlich bis in die Nähe des der Steuerelektrode zugewendeten Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens teilweise entfernt ist. Die erwähnte Oberflächenschicht, die niederohmig ist, hat den Vorteil, daß der Steuerstrom im freiliegenden Teil im wesentlichen nur diese Oberflächenschicht durchfließt, und daß der freiliegende Teil der Steuerzone örtlich nur über eine Dicke etwa gleich der Dicke dieser Oberflächenschicht entfernt zu werden braucht, um den Steuerstrom im wesentlichen im übrigbleibenden Teil dieser Oberflächenschicht zu begrenzen. Weiter ist hierbei, insbesondere wenn eine durch Diffusion von Dotierungssubstanz erhaltene Emitterzone verwendet wird, ein niedrigerer Steuerstromwiderstand im freiliegenden Teil der Steuerzone möglich.

Obwohl der Halbleiterkörper aus einer Halbleiterplatte mit einer willkürlichen Form bestehen kann, ist eine besonders zweckmäßige und erfolgreiche Ausführungsform gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine Halbleiterplatte etwa in Form eines Kreissektors ist. in der die vier Zonen sich im wesentlichen parallel zu den beiden Seitenflächen der Platte erstrecken und bei der die Steuerelektrode in der Nähe der Spitze des Sektors angeordnet ist und der der Steuerelektrode zugewendete Rand des unter der Ermitterzone liegenden Teiles der Steuerzone in einem größeren Abstand von der Spitze des Sektors als die Steuerelektrode liegt. Vorzugsweise ist hierbei der freiliegende Teil der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke auf beiden Seiten eines sich zwischen der Steuerelektrode und dem unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone erstreckenden Teiles des erwähnten freiliegenden Teiles entfernt.

Eine andere wichtige Ausführungsform eines steuerbaren Halbleiters nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone und der unter dieser Zone liegende Teil der Steuerzone ringförmig sind, wobei der freiliegende Teil der Steuerzone, auf dem die Steuerelektrode angeordnet ist, im erwähnten ringförmigen Teil der Steuerzone liegt, und daß längs und bis in die Nähe eines Teiles des Innenrandes dieses ringförmigen Teiles der Steuerzone der freiliegende Teil der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt ist. Diese Ausführungsform ist von besonderer Bedeutung zum Steuern großer Leistungen. Vorzugsweise ist der freiliegende Teil der Steuerzone wenigstens längs der Hälfte des Innenrandes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt.

Eine besonders günstige Ausführungsform eines gesteuerten Gleichrichters nach der Erfindung ist diejenige, bei der die Emitterzone und der unter dieser Zone liegende Teil der Steuerzone eine Ausbauchung in Richtung der Steuerelektrode aufweisen und der Steuerstrom im freiliegenden Teil der Steuerzone im wesentlichen nur zwischen der Steuerelektrode und der Ausbauchung fließen kann.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach der Erfindung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß von einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps ausgegangen wird, wobei die an eine äußere Zone, die Emitterzone, grenzende Zone, die Steuerzone, einen unter der Emitterzone liegenden Teil, und einen auf der Seite der Emitterzone freiliegenden Teil aufweist, und daß auf einem Teil des freiliegenden Teiles eine Maskierung angebracht wird, die sich an eine auf der Emitterzone angeordnete Maskierung anschließt, worauf der nicht maskierte Teil des freiliegenden Teiles, welcher nicht maskierte Teil sich bis in die Nähe des Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone erstreckt, wenigstens über einen Teil seiner Dicke, z. B. durch Ätzen, entfernt wird, wodurch ein Steuerstrom im freiliegenden Teil zwischen einer auf dem maskierten Teil angeordneten Steuerelektrode und dem unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone den der Steuerelektrode zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone im wesentlichen nur über einen Teil seiner Länge passieren kann.

Vorzugsweise wird auch, mit Ausnahme der Stelle, an der die auf der Emitterzone angeordnete Maskierung sich an die auf einem Teil des freiliegenden Teiles der Steuerzone angeordnete Maskierung anschließt, ein Randteil der Emitterzone entfernt. Hierdurch wird die oben erwähnte Ausbauchung der Emitterzone und des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone erhalten.

Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren nach der Erfindung, bei dem, bevor die Maskierung auf einem Teil des freiliegenden Teiles der Steuerzone angeordnet wird, in die Oberfläche des freiliegenden Teiles Dotierungssubstanz vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen der Steuerzone hineindiffundiert werden, wodurch eine diffundierte Oberflächenschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen der Steuerzone und mit einer größeren Leitfähigkeit als derjenigen des unter dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles des erwähnten freiliegenden Teiles erhalten wird.

Als eine Maskierung auf der Emitterzone kann eine auf dieser Zone angeordnete Emitterelektrode dienen, und auf dem freiliegenden Teil der Steuerzone kann eine j gesonderte, sich an die Emitterelektrode anschließende j Maskierung angeordnet werden. Hierbei können jedoch l während der Entfernung von nicht maskierten Teilen vom freiliegenden Teil Unregelmäßigkeiten beim Anschluß der beiden Maskierungen entstehen. Daher ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens

nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierung auf dem freiliegenden Teil der Steuerzone und die Maskierung auf der Emitterzone als ein Ganzes in einem einzigen Arbeitsgang angeordnet werden. Vorzugsweise wird dabei, ehe die Maskierung angebracht wird, die Emitterzone mit einer Emitterelektrode versehen und zugleich die Steuerelektrode angebracht, wonach die Maskierung auf diesen Elektroden und einem sie umgebenden Oberflächenteil des Halbleiterkörpers angeordnet wird.

Der obenerwähnte, sektorförmige Halbleiterkörper kann auf einfache Weise und mit besonders wenig Verlusten an Halbleitermaterial dadurch erhalten werden, daß eine im wesentlichen runde Halbleiterscheibe mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps in Sektoren unterteilt wird.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters, von dem

F i g. 2 schematisch in Draufsicht und

F i g. 3 schematisch einen Querschnitt längs der Linie 111—III in Fig. 2 zeigt, während

F i g. 4 einen Teil des Querschnitts nach F i g. 3 in vergrößertem Maßstab darstellt;

die F i g. 5, 6, 7, 8 und 11 zeigen schematisch Querschnitte eines Halbleiterkörpers in verschiedenen Stufen während der Herstellung* eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach den vorangehenden Figuren, wobei die

Fig.9 und 10 schematisch eine Draufsicht auf den Halbleiterlörper nach F i g. 8 bzw. 11 darstellt, wobei

F i g. 11 einen Querschnitt längs der Linie XI-XI in Fig. 10 zeigt;

Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf den Halbleiterkörper nach Fig. 11 bei einem etwas abgeänderten Herstellungsverfahren;

Fig. 13 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters, von dem die

Fig. 14 und 15 schematisch Querschnitte längs der Linie XIV-XIV bzw. XV-XV in F i g. 13 darstellen;

F i g. 16 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleiterplatte, die für eine weitere Ausbildungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters geeignet ist.

Die zu beschreibenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf steuerbare Halbleitergleichrichter, die einen Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei eine der äußeren Zonen die Emitterzone bildet und die an sie grenzende Zone, die Steuerzone, einen unter der Emitterzone liegenden Teil und einen auf der Seite der Emitterzone freiliegenden Teil aufweist, auf dem die Steuerelektrode angeordnet ist, und wobei nach der Erfindung der Steuerstrom zwischen der Steuerelektrode und dem unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone den der Steuerelektrode zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone im wesentlichen nur über einen Teil seiner Länge passieren kann; bei den zu beschreibenden Ausführungsbeispielen wird diese letztere Wirkung dadurch herbeigeführt, daß der freiliegende Teil der Steuerzone örtlich und bis in die Nähe des der Steuerelektrode angewendeten Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt ist.

Beim ersten Ausführungsbeispiel (siehe die Fig. 1,2 und 3) besteht der Halbleiterkörper aus einer Halbleiterplatte 1 etwa in Form eines Kreissektors, bei dem die vier Zonen 2,3,4 und 5 sich im wesentlichen parallel zu den beiden Seitenflächen der Platte 1 erstrecken, die Steuerelektrode 9 in der Nähe der Spitze Pdes Sektors angeordnet ist und der der Steuerelektrode 9 zugewendete Rand A, B, C, D des unter der Emitterzone 5 liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4 in größerem Abstand von der Spitze fals die Steuerelektrode 9 liegt, Der freiliegende Teil 7, 8 der Steuerzone 4 ist über einen Teil seiner Dicke auf beiden Seiten eines sich zwischen der Steuerelektrode 9 und dem unter der Emitterzone 5 liegenden Teil 6 der Steuerzone 4 erstreckenden Teiles 7 des freiliegenden Teiles 7, 8 entfernt. Der freiliegende Teil 7, 8 enthält also einen dünnen Teil 8 und einen dicken Teil 7, und der Steuerstrom im freiliegenden Teil 7, 8 durchfließt im wesentlichen den dicken Teil 7 und passiert nur den Teil B, C des Randes A, B, C, D. Hierdurch wird erreicht, daß bei einem gegebenen Steuerstrom die Steuerstromdichte örtlich in dem unter der Emitterzone 5 liegenden Teil 6 der Steuerzone 4, nämlich in der Umgebung des Randteiles B, Cgrößer ist als wenn der Steuerstrom den ganzen der Steuerelektrode 9 zugewendeten Rand Ά Β, .'. C, D leicht passieren kann. Wie bereits erwähnt, hat dies zur Folge, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter mittels kleinerer Steuerströme vom schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand gesteuert werden kann, was für steuerbare Halbleitergleichrichter mit hohen Kippspannungen von besonderer Bedeutung ist.

Bei bekannten Typen von steuerbaren Halbleitergleichrichtern nimmt nämlich im allgemeinen der Zündstrom (der Steuerstrom, bei dem Steuerung in einen anderen stabilen Zustand stattfindet) bei zunehmender Kippspannung zu, wodurch es gerade bei Typen mit einer hohen Kippspannung von Bedeutung ist, den Zündstrom herabzusetzen und dadurch die Anwendungsmöglichkeiten zu vergrößern oder sogar die Anwendung möglich zu machen.

Es wird bemerkt, daß die Emitterzone mit einer Emitterelektrode 10 versehen ist, die ebenso wie die Steuerelektrode 9 in F i g. 1 deutlichkeitshalber mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist und daß die untere Zone 2 mit einer Elektrode 11 versehen ist.

Der freiliegende Teil 7, 8 der Steuerzone 4 ist vorzugsweise mit einer Oberflächenschicht 16 (siehe F i g. 4, in der ein Teil des Querschnittes nach F i g. 3 in vergrößertem Maßstab dargestellt ist) mit einer größeren Leitfähigkeit als derjenigen des unter der Schicht 16 liegenden Teiles 17 und mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen dieses darunterliegenden Teiles 17 versehen, wobei diese Oberflächenschicht 16 örtlich bis in die Nähe des der Steuerelektrode 9 zugewendeten Randes A, B, C, D des unter der Emitterzone liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4 wenigstens teilweise entfernt ist, d. h. die Oberflächenschicht 16 keinen Teil des dünnen Teiles 8 des freiliegenden Teiles 7,8 der Steuerzone 4 bildet.

Die Oberflächenschicht 16 bringt den Vorteil mit sich, daß mittels ihrer ein niedriger Steuerstromwiderstand im freiliegenden Teil der Steuerzone erreichbar ist und bei der Herstellung der freiliegende Teil nur örtlich über eine kleine Dicke (etwa gleich der Dicke dieser Oberflächenschicht) entfernt zu werden braucht, damit der Steuerstrom im wesentlichen im restlichen Teil der

Oberflächenschicht begrenzt wird.

Es wird bemerkt, daß es nicht erforderlich ist, daß der freiliegende Teil 7, 8 einen dünnen Teil 8 aufweist. Der

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freiliegende Teil kann auch örtlich über seine ganze Dicke entfernt sein, wodurch der dünne Teil 8 nicht vorhanden ist.

Die Emitterzone 5 enthält eine Ausbauchung 20 in Richtung der Steuerelektrode 9. Hierdurch enthält der unter der Emitterzone 5 liegende Teil 6 der Steuerzone 4 ebenfalls eine solche Ausbauchung. Der Steuerstrom fließt im wesentlichen zwischen der Steuerelektrode 9 und der Ausbauchung des unter der Emitterzone 5 liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4, was auf die Eigenschaften des steuerbaren Gleichrichters einen günstigen Einfluß hat

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung zur Herstellung des beschriebenen steuerbaren Halbleitergleichrichters beschrieben, bei dem auch Angaben über Abmessungen, Materialien u. dgl. des Gleichrichters gegeben werden.

In die Oberflächen einer η-leitenden Siliziumscheibe

30 (Fig.5) mit einem Durchmesser von etwa 18mm, einer Dicke von etwa 200 μππ und einem spezifischen Widerstand von etwa 20 Ohm · cm wird Aluminium hineindiffundiert. Zu diesem Zweck wird die Scheibe 30 in ein pulverförmiges Gemisch aus Aluminiumoxyd und Silizium eingebettet und etwa 6 Stunden in einer Wasserstoffatmosphäre auf einer Temperatur von etwa 1215°C gehalten. Hierdurch wird eine p-leitende Zone

31 ( F i g. 6) mit einer Dicke von etwa 36 μΐη und einer Oberflächenkonzentration von etwa 10¹⁸ Aluminiumatomen/cm³ erhalten, während die innere Zone 33 die ursprüngliche η-Leitfähigkeit der Platte 30 beibehält

In die p-Ieitende Zone 31 wird eine n-Ieitende Zone 32 (Fig.7) hineindiffundiert Zu diesem Zweck wird in einer trockenen Sauerstoffatmosphäre die Scheibe 30 etwa 3 Stunden auf einer Temperatur von etwa 1210⁰C gehalten und in der Umgebung der Scheibe 30 eine Menge P2O5 auf etwa 250⁰C gehalten. Hierdurch wird die η-leitende Zone 32 mit einer Oberflächenkonzentration von etwa 10²⁰ Phosphoratomen/cm³ und einer Dicke von etwa 14 μίτι erhalten.

Auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise, z.B. mittels Maskierens und Ätzens, werden die Zonen 31 und 32 am Rande der Scheibe 30 weggeätzt und die Zone 32 außerdem auf der Unterseite der Scheibe 30 entfernt Weiter wird ein kreisförmiger Teil mit einem Durchmesser von etwa 7 mm von der Zone

32 auf der Oberseite der Scheibe 30 entfernt wodurch ein kreisförmiger Oberflächenteil 40 der Zone 32 frei wird. Es entsteht so die Konfiguration nach den F i g. 8 und 9 (wobei die Zone 31 in die Zonen 37 und 38 aufgeteilt worden ist). Die Scheibe 30 hat z. B. noch einen Durchmesser von etwa 17 mm.

Die Scheibe 30 kann jetzt z. B. längs der Linien 34 in sechs Sektoren unterteilt werden, wodurch sektorförmige Halbleiterkörper 40 (siehe die Fig. 10 und 11) mit vier aufeinanderfolgenden Zonen 2, 3, 4 und 5 abwechselnden Leitfähigkeitstyps erhalten werden. Die an die äußere Zone 5, die die Emitterzone bildet grenzende Zone 4, die Steuerzone, hat einen unter der Emitterzone liegenden Teil 6 und einen freiliegenden Teil 35. Die Unterteilung in Sektoren kann z. B. durch Sägenerfolgen.

Darauf wird ein Teil des freiliegenden Teiles 35 mit einer sich an eine auf der Emitterzone 5 angeordnete Maskierung anschließenden Maskierung versehen, worauf der nicht maskierte Teil des freiliegenden Teiles 35, welcher nicht maskierte Teil sich bis in die Nähe des Randes des unter dar Emitterzone 5 liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4 erstreckt wenigstens über einen Teil seiner Dicke, z. B. durch Ätzen, entfernt wird, wodurch ein Steuerstrom zwischen einer auf dem maskierten Teil angeordneten Steuerelektrode und dem Teil 6 den der Steuerelektrode zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4 im wesentlichen nur über einen Teil seiner Länge passieren kann.

Vorzugsweise wird die Maskierung auf der Emitterzone 5 und dem freiliegenden Teil 35 als ein Gebilde 36 (in F i g. 10 schraffiert dargestellt) angeordnet, wie noch nachstehend erläutert wird.

Ehe die Maskierung 36 angeordnet wird, wird die Emitterelektrode 10 und auch die Steuerelektrode 9 angebracht und dann die Maskierung 36 auf diesen Elektroden und einem umgebenden Oberflächenteil des Halbleiterkörpers 40 angeordnet, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Die Maskierung 36 erstreckt sich nicht ganz bis zum Rande der Emitterzone 5, so daß auch ein Randteil der Emitterzone 5 entfernt werden kann, mit Ausnahme der Anschlußstelle der Maskierung auf der Emitterzone 5 an die Maskierung auf dem freiliegenden Teil35.

Die Maskierung 36 besteht z. B. aus einem Wachs, das z. B. mit Toluol wieder entfernt werden kann.

Die Emitterelektrode 10 und auch die Steuerelektrode 9 können bereits auf der Scheibe 30 (F i g. 8 und 9) angeordnet werden, ebenso wie die Elektrode 11 auf der unteren Zone 38 in F i g. 8 (die Zone 2 in F i g. 11). Der nicht maskierte Teil des freiliegenden Teiles 35 wird jetzt über einen Teil seiner Dicke und dabei auch ein unbedeckter Randteil der Emitterzone 5 weggeätzt z. B. in einem aus 1 Teil Fluorwasserstoffsäure (48%) und 25 Teilen Salpetersäure (65%) bestehenden Ätzmittel während etwa 3 Minuten, wodurch die Konfiguration nach den F i g. 1 bis 3 erhalten wird. Die in bezug auf F i g. 4 beschriebene Oberflächenschicht 16 ist jedoch nicht vorhanden.

Eine solche Oberflächenschicht wird vorzugsweise jedoch angebracht; sie kann auf einfache Weise dadurch erhalten werden, daß vor dem Anbringen der Maskierung 36 (Fig. 10) eine denselben Leitungstyp wie denjenigen der Steuerzone 4 hervorrufende Dotierungssubstanz in die Oberfläche des freiliegenden Teiles 35 der Steuerzone 4 hineindiffundiert wird.

Vorteilhaft findet diese Diffusion bereits in die freiliegende Oberfläche 40 (F i g. 8 und 9) der Zone 37 statt ehe die Elektroden 9 angebracht werden.

So wird z. B. Gallium in die Oberfläche 40 hineindiffundiert Zu diesem Zweck wird die Scheibe 30 auf einer Schicht aus einem pulverförmigen Gemisch aus Aluminiumoxyd und mit Gallium dotiertem Silizium angeordnet und zugleich in der Umgebung der Scheibe 30 eine Menge Gallium angeordnet Das Gallium und die Scheibe 30 werden in etwa drei Stunden in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur von etwa 1190⁰C gebracht Hierbei diffundiert Gallium in die Oberfläche 40 hinein und bildet dort eine Oberflächenschicht 49 mit einer größeren Leitfähigkeit als der des restlichen Teiles der Zone 37, aber vom gleichen Leitfähigkeitstyp. Das pulverförmige Silizium- und Aluminiumoxyd-Gemisch bildet Siliziumdampf und Aluminiumdampf, wodurch von der Siliziumscheibe 30 im wesentlichen kein Silizium verdampft und aus dieser Scheibe weiter im wesentlichen kein Aluminium

⁶S herausdiffundiert Es hat sich gezeigt daß während dieser Diffusionsbehandlung eine gesonderte Maskierung der Zone 32 Oberflüssig ist

In der Zone 38 wird auch durch Diffusion von Gallium

eine niederohmige Oberflächenschicht 50 erhalten, auf der vorteilhaft die Elektroden 11 angebracht werden können.

Die Elektroden 9,10 und 11 bestehen z. B. aus Blei mit etwa 0,1 Gewichtsprozent Nickel, das während etwa 3 Minuten bei etwa 380° C in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre aufgeschmolzen wird, wobei ein aus Aluminium- Fluoriddampf bestehendes Flußmittel verwendet werden kann.

Es wird bemerkt, daß die Emitterelektrode 10 auch als Maskierung der Emitterzone 5 dienen kann. In diesem Falle braucht man nur auf dem Teil 35 eine sich an die Emitterelektrode 10 anschließende Maskierung 45 (siehe Fig. 12) anzuordnen. In diesem Fall besteht jedoch die Möglichkeit, daß beim Anschließen der ^J5 Maskierung 45 an die Emitterelektrode 10, insbesondere an den Punkten 46, unerwünschte Ätzvertiefungen auftreten, aus welchem Grunde eine ein Ganzes bildende Maskierung 36 (F i g. 10) zu bevorzugen ist.

Es zeigt sich, daß der so hergestellte steuerbare Halbleitergleichrichter nach den F i g. 1 bis 3 eine Kippspannung von etwa 700 Volt hat Im schlecht leitenden stabilen Zustand fließt nur ein Strom von einigen μΑ, während im gut leitenden stabilen Zustand Ströme bis etwa 100 A auftreten können. Wird zwischen den Elektroden 10 und 11 z. B. eine Spannung von 6 Volt in der Durchlaßrichtung aufrechterhalten, so kann der steuerbare Halbleitergleichrichter mit einem Steuerstrom über die Steuerelektrode 9 von etwa 10 mA vom schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand gesteuert werden. Beim steuerbaren Halbleitergleichrichter nach den F i g. 10 und 11, also vor dem örtlichen Wegätzen des Teiles 35, zeigt sich, daß unter den gleichen Bedingungen ein Steuerstrom von etwa 30 mA erforderlich ist. Es wird bemerkt, daß die Breite des Teiles 7 (F i g. 1 und 2) in der Nähe dieses Randteiles B, C etwa 1 mm beträgt. Durch örtliches Wegätzen des freiliegenden Teiles der Steuerzone wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel also eine Verringerung des zum Steuern erforderlichen Steuerstromes bis etwa 30% seines ursprüngliches Wertes erreicht

Die Maskierung 36 (Fig. 10) kann auch bereits auf der Scheibe 30 (F i g. 8 und 9) angeordnet werden. Man kann dann von den sechs noch nicht getrennten Gleichrichtern den freiliegenden Teil der Steuerzone in einem Arbeitsgang örtlich wegätzen.

In den Fig. 13, 14 und 15 ist eine andere wichtige Ausführungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach der Erfindung dargestellt, bei dem die Emitterzone 60 und der unter dieser Zone liegende Teil so 64 der Steuerzone 61 ringförmig ausgebildet sind. Der freiliegende Teil 67 der Steuerzone 61, auf dem die Steuerelektrode 66 angeordnet ist, liegt im ringförmigen Teil 64. Längs und bis in die Nähe eines Teiles des Innenrandes 68 des ringförmigen Teiles 64 ist der freiliegende Teil 67 der Steuerzone 61 über einen Teil seiner Dicke entfernt, wodurch die Nut 70 gebildet ist.

Der freiliegende Teil 67 der Steuerzone 61 ist vorzugsweise wenigstens längs der Hälfte des Innenrandes 68 des unter der Emitterzone liegenden Teiles 64 der Steuerzone 61 über einen Teil seiner Dicke entfernt.

Es wird bemerkt, daß die Nut 70 sich bis in die Zone 62 erstrecken kann. Infolge der Nut 70 passiert der Steuerstrom zwischen der Steuerelektrode 36 und dem unter der Emitterzone 60 liegenden Teil 64 der ^6s Steuerzone 61 im wesentlichen nur den Teil E, F des Randes 68, wodurch im Teil 64 örtlich, nämlich beim Teil E, F des Randes 68, eine größere Steuerstromdichte auftritt als bei gleichbleibendem Steuerstrom, wenn die Nut 70 nicht vorhanden ist und der Steuerstrom den ganzen Rand 68 leicht passieren kann. Die Nut 70 macht dadurch eine Steuerung des Gleichrichters mit kleineren Steuerströmen möglich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel reicht dank der Nut 70 ein fünfmal kleinerer Steuerstrom zur Steuerung aus.

Der Halbleiterkörper 71, der z. B. wieder aus Silizium besteht, enthält die vier aufeinanderfolgenden Zonen 60, 61, 62 und 63 abwechselnden Leitfähigkeitstyps; die Emitterzone 60 weist, wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel, eine Ausbauchung 73 in Richtung der Steuerelektrode 66 auf.

Die Emitterzone 60 ist mit einer ringförmigen Emitterelektrode 65 versehen, und auf der Zone 63 ist eine kreisförmige Elektrode 72 angeordnet. Die Elektroden 65, 66 und 72 können wieder aus Blei mit 0,1 Gewichtsprozent Nickel bestehen.

Der Durchmesser der Halbleiterscheibe 71 ist z. B. etwa 16 mm, und der Durchmesser des kreisförmigen Randes 68 beträgt etwa 2,5 mm.

Der steuerbare Halbleitergleichrichter nach den Fig. 13, 14 und 15 kann übrigens ganz auf ähnliche Weise hergestellt werden, wie beim vorangehenden Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.

Es ist einleuchtend, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und daß für den Fachmann viele Abänderungen möglich sind. So kann die Emitterzone statt durch Diffusion von Dotierungssubstanz auch auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise durch Aufschmelzen eines eine Dotierungssubstanz enthaltenen Materials erhalten werden. Wie bereits oben erwähnt, bestehen die Emitterzone und die Steuerzone jedoch vorzugsweise aus diffundierten Zonen. Es wird bemerkt, daß eine oder mehrere der aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps auch durch Aufwachsen von Halbleiterschichten auf einem Trägerkörper erhahen werden können, z. B. durch Ablagern von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einem Träger. Für eine gute Wärmeableitung ist es vorteilhaft, wenn der Halbleiterkörper in einer Richtung von der Emitterzone zu der gegenüberliegenden äußeren Zone einen im wesentlichen zunehmenden Querschnitt aufweist und die erwähnte gegenüberliegende Zone mit der auf dieser Zone angeordneten Elektrode (11 in F i g. 3 und 72 in F i g. 15) auf einem wärmeleitenden Träger befestigt ist. Mit anderen Worten/für eine gute Wärmeableitung hat der Halbleiterkörper statt eines im wesentlichen rechteckigen Querschnitts, wie z.B. in den Fig.3, 14 und 15 dargestellt ist, vorzugsweise einen Querschnitt etwa in Form eines Trapezes, wobei die Emitterzone auf der kürzesten der beiden parallelen Seiten liegt. Weiter braucht der Halbleiterkörper nicht eine Halbleiterplatte mit im wesentlichen der Form eines Sektors oder eines Kreises zu sein, sondern diese Platte kann eine willkürliche Form haben. So kann die Platte z. B. die Form eines Rechtecks haben, bei dem die Steuerelektrode in der Nähe eines Eckpunktes angeordnet sein kann. Wenn die Halbleiterplatte Einkerbungen in der Nähe dieses Eckpunktes aufweist, wie in Fig. 16 dargestellt ist, so braucht der freiliegende Teil der anzuordnenden Steuerzone nicht örtlich wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt zu werden, da die erwähnten Einkerbungen die erwünschte Wirkung bereits verursachen können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, bei dem eine der äußeren Zonen die Emitterzone bildet und die an die Emitterzone grenzende Steuerzone einen von der Emitterzone bedeckten Teil und seitlich davon einen von der Emitterzone nicht bedeckten, die Steuerelektrode tragenden Teil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom in der Steuerzone (4) zwischen der Steuerelektrode (9) und dem von der Emitterzone (5) bedeckten Teil (6) der Steuerzone (4) den der Steuerelektrode (9) zugewandten Rand (A-D) des von der Emitterzone (5) bedeckten Teiles (6) der Steuerzone (4) dadurch im wesentlichen nur örtlich passieren kann, daß sich die an die Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzende Schicht (7) des nicht bedeckten Teiles (7,8) der Steuerzone (4) nur örtlich (B-C)an den Rand (A-D)des von der Emitterzone (5) bedeckten Teiles (6) der Steuerzone (4) anschließt.

2. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (5) und die Steuerzone (4) diffundierte Zonen sind.

3. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der freiliegende Teil (7, 8) der Steuerzone (4) örtlich bis in die Nähe des der Steuerelektrode zugewendeten Randes (A-D) des unter der Emitterzone (5) liegenden Teiles (6) der Steuerzone (4) wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt ist.

4. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im freiliegenden Teil (7) der Steuerzone (4) und an der Oberfläche dieses Teiles eine diffundierte Oberflächenschicht (16) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen der Steuerzone, aber mit einer größeren Leitfähigkeit als derjenigen des unter dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles (17) des freiliegenden Teiles angeordnet ist und daß diese Oberflächenschicht (16) örtlich bis in die Nähe des der Steuerelektrode (9) zugewendeten Randes (A-D) der unter der Emitterzone (15) liegenden Teiles (6) der Steuerzone (4) wenigstens teilweise entfernt ist.

5. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine Halbleiterplatte in Form eines Kreissektors ist, in der die vier Zonen (2, 3, 4, 5) sich im wesentlichen parallel zu den beiden Seitenflächen der Halbleiterplatte erstrecken und bei der die Steuerelektrode (9) in der Nähe der Spitze (P)des Sektors angeordnet ist und der der Steuerelektrode (9) zugewendete Rand (A-D)des unter der Emitterzone (5) liegenden Teiles (6) der Steuerzone (4) in größerem Abstand von der Spitze (P) des Sektors als die Steuerelektrode (9) liegt.

6. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach An-Spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der freiliegende Teil (7, 8) der Steuerzone (4) wenigstens über einen Teil seiner Dicke auf beiden Seiten eines sich zwischen der Steuerelektrode (9) und dem unter der Emitterzone (5) liegenden Teil der Steuerzone erstreckenden Teiles des freiliegenden Teiles (7, 8) entfernt ist.

7. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach einem

oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (60) und der unter dieser Zone liegende Teil (64) der Steuerzone (61) ringförmig ausgebildet sind, wobei der freiliegende Teil (67) der Steuerzone (61), auf dem die Steuerelektrode (66) angeordnet ist, von dem ringförmigen Teil (64) der Steuerzone umgeben ist, und längs und bis in die Nähe eines Teiles des Innenrandes (68) des ringförmigen Teiles (64) der Steuerzone der freiliegende Teil (67) der Steuerzone (61) wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt ist.

8. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der freiliegende Teil (67) der Steuerzone (61) wenigstens längs der Hälfte des Innenrandes (68) des unter der Emitterzone liegenden Teiles (64) der Steuerzone (61) wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt ist.

9. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (5) und der unter dieser Zone liegende Teil (6) der Steuerzone eine Ausbauchung (20) in Richtung der Steuerelektrode (9) aufweisen und der Steuerstrom im freiliegenden Teil der Steuerzone im wesentlichen nur zwischen der Steuerelektrode (9) und der Ausbauchung (20) fließt.

10. Verfahren zur Herstellung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen (2, 3, 4, 5) abwechselnden Leitfähigkeitsiyps ausgegangen wird, bei dem die an eine der äußeren Zonen, die Emitterzone (5), grenzende Zone (4), die Steuerzone, einen unter der Emitterzone liegenden Teil (6) und einen auf der Seite der Emitterzone freiliegenden Teil (35) aufweist, und daß auf einem Feil des freiliegenden Teiles (35) eine Maskierung angebracht wird, die sich an eine auf der Emitterzone (5) vorgesehene Maskierung anschließt, worauf der nicht maskierte Teil des freiliegenden Teiles (35), welcher nicht maskierte Teil sich bis in die Nähe des Randes des unter der Emitterzone (5) liegenden Teiles (6) der Steuerzone (4) erstreckt, wenigstens über einen Teil seiner Dicke, z. B. durch Ätzen, entfernt wird.

11. Verfahren, nach Anspruch 10 zur Herstellung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ausnahme der Stelle, an der die auf der Emitterzone (5) angeordnete Maskierung sich an die auf einem Teil des freiliegenden Teiles (35) der Steuerzone angeordnete Maskierung anschließt, auch ein Randteil der Emitterzone (5) entfernt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 zur Herstellung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß, ehe die Maskierung (36) auf einem Teil des freiliegenden Teiles (35) der Steuerzone angeordnet wird, in die Oberfläche dieses freiliegenden Teiles (35) eine denselben Leitungstyp wie denjenigen der Steuerzone (4) hervorrufende Dotierungssubstanz hineindiffundiert wird, wodurch eine diffundierte Oberflächenschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen der Steuerzone (4) und mit einer größeren Leitfähigkeit als derjenigen des unter dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles des

erwähnten freiliegenden Teiles (35) erhalten wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierung auf dem freiliegenden Teil (35) der Steuerzone (4) und die Maskierung auf der Emitterzone als ein Ganzes (36) in einem Arbeitsgang angeordnet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß, ehe die Maskierung angeordnet wird, die Emitterzone (5) mit einer Emitterelektrode (10) versehen und zugleich die Steuerelektrode (9) angebracht wird, wonach die Maskierung auf diesen Elektroden und einem sie umgebenden Oberflächenteil des Halbleiterkörpers angeordnet wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14 zur Herstellung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen sektorförmige Halbleiterkörper (40) dadurch erhalten wird, daß eine im wesentlichen runde Halbleiterscheibe (30) mit vier aufeinanderfolgenden Zonen (2, 3, 4, 5) abwechselnden Leitfähigkeitstyps in Sektoren unterteilt wird.