DE19711438A1

DE19711438A1 - Thyristor

Info

Publication number: DE19711438A1
Application number: DE1997111438
Authority: DE
Inventors: Benno Dr Bucher
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-24

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einem Thyristor nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Ein solcher Thyristor wird schon im Lehrbuch "Bauelemente der Halbleiter- Elektronik", Band 2, Springer-Verlag, von R. Müller beschrieben. Thyristoren umfassen eine pnpn Halbleiterschichtstruktur, die sich zwischen zwei Hauptflä chen erstreckt. Die äußeren Anschlüsse umfassen eine Kathodenelektrode, eine Anodenelektrode und eine Steuerelektrode, auch Gate genannt. Durch Anlegen einer Steuerspannung bzw. eines Steuerstromes an das Gate kann der Strom fluß durch den Thyristor gesteuert werden.

Nach dem Abschalten eines Thyristors durch Abkommutieren des durch ihn fließenden Stromes kann erst nach einer gewissen Zeitspanne wieder eine Span nung angelegt werden. Diese Zeitspanne wird als Freiwerdezeit tq bezeichnet. Der physikalische Grund für die Existenz einer Freiwerdezeit liegt darin, daß die nicht rekombinierten, freien Ladungsträger beim Anlegen einer Spannung als Zündstrom wirken. Der Thyristor wird dadurch an der zündfreudigsten Stelle zünden. Probleme ergeben sich insbesondere im Bereich der Gateregion, da die freien Ladungsträger von dort lateral über die benachbarte Kathodenregi on abgeführt werden müssen. Bei zu frühem Anlegen einer Spannung kann die ses Abführen der Ladungsträger zu einem Zünden des Gates führen. Die Frei werdezeit bestimmt ganz wesentlich die Steuerbarkeit und somit auch die Effizi enz einer Thyristorschaltung. Es wäre somit wünschenswert, einen Thyristor zur Verfügung zu haben, dessen Freiwerdezeit möglichst kurz ist.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thyristor bzw. ein Verfahren zur Herstel lung eines solchen anzugeben, bei dem eine möglichst geringe Freiwerdezeit er reicht wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprü che gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, daß die Lebensdauer der Träger lokal im Bereich der Gateregion verringert wird. Zur Trägerlebensdauereinstellung eignen sich insbesondere Bestrahlungsverfahren mit z. B. Protonen, Elektronen, Alphateil chen oder Gold.

Durch die selektive Bestrahlung im Bereich der Gateregion erreicht man eine verringerte Freiwerdezeit ohne daß die Durchlaßverluste ansteigen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den entsprechenden abhängi gen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung eines Thyristors im Schnitt;

Fig. 2 Eine schematische Darstellung der Bestrahlung eines erfindungs gemäßen Thyristors.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch einen Thyristor 1 im Schnitt. Mit 2 ist eine erste Hauptfläche bezeichnet, mit 3 eine zweite. Zwischen den beiden Hauptflächen 2 und 3 ist ein Halbleiterkörper angeordnet, der eine Reihe von unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten umfaßt. Im einzelnen folgen von der zweiten Hauptfläche 3 her ein Anodenemitter 8, eine n-Basis 7, eine p-Basis 6 und ein Kathodenemitter 4. Der Kathodenemitter 4 tritt an einigen Stellen an die erste Hauptfläche 2 und bildet dadurch eine Gateregion 5. Die Gateregion 5, der Ka thodenemitter 4 und der Anodenemitter 8 sind mit entsprechenden Metallisie rungen 10, 9 und 11 überzogen. Diese Metallisierungen bilden die entsprechen den Anschlüsse des Thyristors 1.

Der physikalische Grund für die Existenz einer Freiwerdezeit liegt darin, daß die nicht rekombinierten, freien Ladungsträger beim Anlegen einer Spannung als Zündstrom wirken. Der Thyristor wird dadurch an der zündfreudigsten Stelle zünden. Probleme ergeben sich insbesondere im Bereich der Gateregion 5, da die freien Ladungsträger von dort lateral über die benachbarte Kathodenregi on 4 abgeführt werden müssen. Bei zu frühem Anlegen einer Spannung kann dieses Abführen der Ladungsträger zu einem Zünden des Gates führen.

Somit kann an ein Thyristor nach dem Abschalten durch Abkommutieren des Stromes nur nach einer gewissen Freiwerdezeit tq wieder Spannung angelegt werden. Diese Freiwerdezeit ist direkt abhängig von der Lebensdauer der La dungsträger. Um tq zu verringern wird deshalb nach dem Stand der Technik das gesamte Bauteil bestrahlt. Bei einer Elektronenbestrahlung über die gesamte Bauelementfläche wird die Lebensdauer im ganzen Halbleiterkörper homogen reduziert. Dies hat aber unerwünscht vergrößerte Durchlaßverluste zur Folge. Durch Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Protonen kann das Lebensdauer profil zwar in axial Richtung optimiert werden. Die erhöhten Durchlaßverluste sind aber immer noch erheblich.

Nach der Erfindung wird die Lebensdauer nur an der zündempfindlichsten Stelle verringert. Die Trägerlebensdauerreduktion wird deshalb auf die Gatere gion 5 beschränkt. Selbstverständlich ist eine scharfe Beschränkung nicht mög lich, sondern es ergibt sich immer ein leicht verschmiertes Profil der Gebiete mit reduzierter Trägerlebensdauer.

In Fig. 2 ist eine schematische Anordnung dargestellt, mit der der erfindungs gemäße Effekt erzielt werden kann. Dargestellt ist wieder der Thyristor 1. Die Gate- und Kathodenmetallisierungen 10 und 9 sind in diesem Zustand noch nicht aufgebracht. Die Gateregion 5 umfaßt eine zentrale Region mit fingerarti gen Fortsätzen. Um die Trägerlebensdauer in der Gateregion 5 zu reduzieren, wird der Thyristor 1 bestrahlt. Eine der Bestrahlung entsprechender Teilchen strahl ist mit 12 bezeichnet. Damit die Bestrahlung auf die Gateregion 5 be schränkt wird, ist eine lateral begrenzte Maske 13 vorgesehen. Die Aussparun gen der Maske 13, durch welche die Bestrahlung zur Thyristoroberfläche 1 dringt, werden vorzugsweise im wesentlichen entsprechend der Umrisse der Ga teregion 5 gewählt. Dadurch kann ein Thyristor 1 hergestellt werden, bei dem die Zündempfindlichkeit unterhalb den zündempfindlichen Gebieten, insbesonde re der Gateregion 5 stärker reduziert ist als an weniger kritischen Stellen. Durch die Reduktion der Trägerlebensdauer insbesondere in der Gateregion 5, erreicht man, daß beim Wiederanlegen der Spannung nur ein kleiner Strom von der Gateregion 5 abgeführt werden muß. Die Gateregion 5 des Thyristors 1 ist außerdem nicht mit dem Lastkreis kontaktiert und beeinflußt demgemäß die Durchlaßverluste nur wenig. Dadurch ist ein gezielte Beeinflussung der Frei werdezeit tq ohne Beeinträchtigung der Durchlaßverluste möglich.

Erfindungsgemäß kann die Bestrahlung sowohl mit Elektronen, Protonen, Al phateilchen oder gar mit Gold durch geführt werden. Bei einem Thyristor mit 1400 µm Waferdicke wurden mit folgenden Bestrahlungsdosen und Energien äußerst vorteilhafte Eigenschaften erreicht:

Bestrahlungsdichte: 10¹⁰-10¹³ cm⁻²
Bestrahlungsenergie: 1-15 MeV

Die Masken können aus verschiedenen, den Bestrahlungsteilchen angepaßten Materialien gefertigt sein. Dicke Metallmasken eignen sich insbesondere für Elektronenbestrahlung, während dünne Folien für Protonen geeignet sind, und organische Fotomasken mit Vorteil für Alphateilchen eingesetzt werden.

Insgesamt erreicht man mit dem erfindungsgemäßen Bestrahlungsverfahren einen Thyristor, bei dem die Freiwerdezeit tq unabhängig von den Durchlaßver lusten gezielt verringert werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Thyristor

2

erste Hauptfläche

3

zweite Hauptfläche

4

Kathodenemitter

5

Gateregion

6

p-Basis

7

n-Basis

8

Anodenemitter

9

Kathodenmetallisierung

10

Gatemetallisierung

11

Anodenmetallisierung

12

Teilchenstrahl

13

Maske

Claims

1. Thyristor (1) mit einem von einer ersten Hauptfläche (2) und einer zweiten Hauptfläche (3) begrenzten Halbleiterkörper, der eine Folge (4, 5, 6, 7, 8) von unterschiedlich dotierten Halbleiterregionen umfaßt, wobei auf der ersten Hauptfläche (2) mindestens eine Gateregion (5) und eine Kathodenregion (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerlebensdauer in der Gateregion (5) reduziert ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrah lung eine Protonenbestrahlung mit einer Teilchendichte von 10¹⁰-10¹³ cm⁻² und einer Teilchenenergie von 1-15 MeV umfaßt.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrah lung eine Elektronenbestrahlung mit einer Teilchendichte von 10¹⁰-10¹³ cm⁻² und einer Teilchenenergie von 1-15 MeV umfaßt.

4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrah lung eine Alphateilchenbestrahlung mit einer Teilchendichte von 10¹⁰-10¹³ cm⁻² und einer Teilchenenergie von 1-15 MeV umfaßt.

5. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrah lung eine Goldbestrahlung mit einer Teilchendichte von 10¹⁰-10¹³ cm⁻² und einer Teilchenenergie von 1-15 MeV umfaßt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors (1) mit einem von einer er sten Hauptfläche (2) und einer zweiten Hauptfläche (3) begrenzten Halbleiterkörper, der eine Folge (4, 5, 6, 7, 8) von unterschiedlich dotier ten Halbleiterregionen umfaßt, wobei auf der ersten Hauptfläche (2) mindestens eine Gateregion (5) und eine Kathodenregion (4) angeord net sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerlebensdauer in der Gateregion (5) insbesondere durch Bestrahlung reduziert wird.

7. Verfahren Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwen dung einer Bestrahlungsmaske (13) mit einer den Umrissen der Gate region (5) im wesentlichen entsprechenden Aussparung eine Protonen bestrahlung mit einer Teilchendichte von 10¹⁰-10¹³ cm⁻² und einer Teilchenenergie von 1-15 MeV durchgeführt wird.

8. Verfahren Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwen dung einer Bestrahlungsmaske (13) mit einer den Umrissen der Gate region (5) im wesentlichen entsprechenden Aussparung eine Elektro nenbestrahlung mit einer Teilchendichte von 10¹⁰-10¹³ cm⁻² und einer Teilchenenergie von 1-15 MeV durchgeführt wird.

9. Verfahren Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwen dung einer Bestrahlungsmaske (13) mit einer den Umrissen der Gate region (5) im wesentlichen entsprechenden Aussparung eine Alphateil chenbestrahlung mit einer Teilchendichte von 10¹⁰-10¹³ cm⁻² und einer Teilchenenergie von 1-15 MeV durchgeführt wird.

10. Verfahren Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwen dung einer Bestrahlungsmaske (13) mit einer den Umrissen der Gate region (5) im wesentlichen entsprechenden Aussparung eine Goldbe strahlung mit einer Teilchendichte von 10¹⁰-10¹³ cm⁻² und einer Teil chenenergie von 1-15 MeV durchgeführt wird.