DE2121086C3 - Vierschicht-Halbleiterbauelement mit integrierter Gleichrichterdiode - Google Patents

Vierschicht-Halbleiterbauelement mit integrierter Gleichrichterdiode

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Vierschicht-Halbleiterbauelement mit integrierter Gleichrichterdiode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Halbleiterbauelement dieser Art ist in der FR-PS 78 448 beschrieben.
Bei diesem Halbleiterbauelement ist die Funktion des Thyristors und des zugehörigen Dioden-Gleichrichters in einem einzigen Bauteil vereinigt, so daß anstelle der an sich notwendigen zwei Bauelemente mit fünf elektrischen Anschlüssen ein Bauteil und drei elektrische An-Schlüsse ausreichend sind. Die Diodengleichrichter-Funktion des bekannten Bauelements ist jedoch nicht ausreichend von dem als gesteuerter Gleichrichter wirkenden Teil getrennt, so daß ein rascher Übergang von der einen zur anderen Funktion verhindert wird. bo
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß eine Trennung der Funktionen der beiden integrierten Bauelemente gewährleistet ist. Es ist dabei erwünscht, den als Diodengleichrichter wirkenden Teil der Baueinheit sowohl physikalisch air auch elektrisch von dem Teil zu trennen, welcher als Vierschicht-Halbleiterbauelement wirkt.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.
Durch die erfindungsgemäß an der einen Hauptfläche des Halbleiterkörpers zwischen dem benachbarten äußeren Gebiet und dem Rand liegenden und gegenüber dem äußeren Gebiet durch relativ schwach leitende Abschnitte abgegrenzten hochleitenden Bereiche der beiden Zwischengebiete wird die Diodengleichrichterfunktion des Bauelements von dessen Funktion als Vierschicht-Haibleiterbauelement (steuerbarer Gleichrichter) getrennt Durch die Erfindung ist also ein als steuerbarer Gleichrichter (Thyristor) anwendbares Halbleiterbauelement geschaffen worden, das außerdem Strom in Sperrichtung (des Thyristors) führen kann. Das erfindungsgemäße Bauelement ist einfach zu handhaben und wirtschaftlich herstellbar, weil es — im Gegensatz zu nicht integrierten Kombinationen mit getrennten Funktionen — anstelle von zwei Halbleiterkörpern mit fünf elektrischen Anschlüssen nur einen Halbleiterkörper mit drei Kontakten erfordert
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die physikalische und elektrische Trennung zwischen dem als Diodengleichrichter und dem als steuerbarer Gleichrichter wirkenden Teil des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes noch dadurch verbessert, daß im Halbleiterkörper eine Vielzahl von Rekombinationszentren gebildet ist, welche im wesentlichen zwischen den sich zu den Hauptflächen erstreckenden, relativ niedrig leitenden Abschnitten der Zwischengebiete konzentriert sind. Vorzugsweise sind die Rekombinationszentren mit Hilfe von Gold als Dotierstoff gebildet Wegen der relativ stärkeren Konzentration in beschränkten, von einer Hauptfläche zur anderen reichenden Bereichen des Halbleiterkörpers stellen die Rekombinationszentren faktisch eine elektrisch isolierende Zone zwischen den der Thyristorfunktion einerseits und der Diodengleichrichterfunktion andererseits zugeordneten Bereichen des integrierten Halbleiterbauelements dar. Die stärkere Kombination der Rekombinationszentren bei Gold als Dotierstoff ist dadurch erzielbar, daß überall auf die Hauptflächen aufgebrachtes Gold schneller durch die wegen ursprünglich schwächerer Dotierung schwach leitenden, an die jeweilige Hauptfläche angrenzenden Abschnitte als durch die benachbarten, wegen ursprünglich höherer Dotierung besser leitenden Abschnitte diffundiert Dieser Mechanismus ist zwar an sich aus der US-PS 34 40 144 bekannt, diese Druckschrift gibt jedoch keinen Hinweis auf die Anwendung der selektiven Golddotierung bei der Trennung von Thyristor- und Diodengleichrichtfunktionen eines Vierschicht-Halbleiterbauelementes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnung erläutert Es zeigt
F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Vierschicht-Halbleiterbauelementes;
F i g. 2 eine zweite Querschnittsansicht des Bauelementes nach F i g. 1;
F i g. 3 eine schemätische Darstellung des Bauelementes nach F i g. 1 und
F i g. 4 eine für die Betriebsweise des Bauelementes nach F i g. 1 repräsentative Kennlinie.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 beschrieben.
Das Bauelement 10 umfaßt einen kristallinen Halbleiterkörper 12 mit zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen 14 und 16 und einem Rand 18, welcher die
Peripherie des Körpers 12 definiert Die Form und Größe des Körpers 12 ist ohne wesentliche Bedeutung; eine zylindrische Form ist jedoch bevorzugt Der Körper 12 ist beispielsweise 15,24 χ 10~3 bis 17,8 χ 10-3cm dick und hat einen Durchmesser von ί 0,254 bis 0,279 cm. Der Körper 12 besitzt vier Halbleitergebiete 20, 22, 24 und 2ö alternierenden Leitungstyps mit PN-Obergängen 21, 23 bzw. 25 zwischen benachbarten Gebieten. Die'Gebiete können eine PNPN- oder NPNP-Konfiguration bilden; in F; g. 1 ιn sowie in der nachfolgenden Beschreibung ist jedoch auf eine PNPN-Konfiguration Bezug genommen. Diese vier Gebiete umfassen zwei äußere Gebiete 20 und 26, die an den beiden ihnen jeweils zugeordneten Oberflächen 16 bzw. 14 liegen, und zwei Zwischengebiete 22 und 24, r. welche aneinander und jeweils an eines der beiden Außengebiete 20 und 26 angrenzen. Teile jedes Zwischengebiets 22 und 24 erstrecken sich bis zu einer der beiden Oberflächen. Ein an den Rand 18 und die Oberfläche 16 angrenzender Bereich 34 des N-leitenden > <i Zwischengebiets 22 ist relativ zum übrigen Teil des N-leitenden Zwischengebiets hochleitend (N+) und vom P-leitenden äußeren Gebiet 20 durch einen bis zur Oberfläche 16 reichenden Bereich 28 des N-leitenden Zwischengebiets 22 geringer Leitfähigkeit räumlich :ϊ getrennt In ähnlicher Weise ist ein der Kante 18 an der Oberfläche 14 benachbarter Bereich 36 des P-leitenden Zwischengebiets 24 relativ zum übrigen Teil des P-leitenden Zwischengebiets hochleitend (P+) und von dem N-Ieitenden äußeren Gebiet 26 durch einen sich zur jo Oberfläche 14 erstreckenden Bereich 30 des Zwisdiengebiets 24 geringer Leitfähigkeit räumlich getrennt. Außerdem reicht ein Mittelbereich 32 des P-leitenden Zwischengebiets 24 bis zur Oberfläche 14; der Mittelbereich ist vorzugsweise (P+gleitend, um einen niederohmigen Kontakt zur Steuer-Elektrode herzustellen.
Eine erste Elektrode 38 überdeckt die gesamte Oberfläche 14 mit Ausnahme des an den mittleren (P+)-Bereich 32 angrenzenden Gebiets. Diese Elektrode gibt direkten ohmschen Kontakt mit dem äußeren Gebiet 26 des N-Leitungstyps und den Bereichen 30 und 36 des P-leitenden Zwischengebiets, welche bis zur Oberfläche 14 reichen. Eine zweite Elektrode 40 ist auf der gesamten Oberfläche 16 angeordnet und gibt ohmschen Kontakt mit dem P-leitenden äußeren Gebiet 20 und denjenigen Gebieten 28 und 34 des N-leitenden Zwischengebiety 22, weiche bis zur Oberfläche 16 reichen. Eine S teuer-Elektrode 42 gibt ohmschen Kontakt mit dem Mittelbereich 32 des P-leitenden ;o Zwischengebiets 24 an der Oberfläche 14. Eine Nut 44 in der Oberfläche 14 isoliert vorzugsweise die erste Elektrode 38 und die Steuer-Elektrode 42.
Die vier Halbleitergebiete 20, 22, 24 und 26 und die erste, die zweite und die Steuer-Elektrode 38,40 und 42 >> bilden einen gesteuerten Gleichrichter, der in der zuvor beschriebenen Weise arbeitet Die beiden halbleitenden Zwischengebiete 22 und 24 und die erste und zweite Elektrode 38 und 40 bilden einen Dioder.gleichrichter, welcher leitend ist wenn der gesteuerte Gleichrichter in t>o Sperrichtung betrieben ist. Die hochleitenden Bereiche 34 und 36 der Zwischengebiete 22 und 24 begrenzen die Diodenleitung zur Peripherie des Körpers 12. Eine genauere Beschreibung der Arbeitsweise der Baueinheit wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die F i g. 3 und t>r> 4 gegeben.
Das Bauteil 10 weist außerdem vorzugsweise eine Vielzahl von Gold-Rekombinationszentren auf, die über den Körper 12 verteilt sind. Die Diffusionsprofile dieser Rekombinationszentren sind ohne Bezugszeichen in F i g. 2 gezeigt Wegen der besonderen Herstellungsweise des Bauteils, die nachfolgend beschrieben wird, neigen die Rekombinationszemren zur besonderen Konzentration in dem Teil des Körpers 12, der zwischen den beiden Bereichen 28 und 30 niedriger Leitfähigkeit der beiden Zwischengebiete 22 und 24 liegt Diese Gold-Rekombinationszentren bilden daner effektiv eine elektrisch isolierende Zone, welche die Funktion des Bauteils 10 als gesteuerter Gleichrichter auf den mittleren Bereich des Körpers 12 begrenzt und die Funktion des Bauteils 10 als Diodengleichrichter dem Randbereich des Körpers zuweist
Im folgenden wird die Herstellüngsweise einer bevorzugten Ausführungsform des neuen Bauteils beschrieben. Das Ausgangsmaterial ist ein Körper 12 aus N-leitendem kristallinen Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 20 Ohm cm. Der PN-Übergang 23 wird durch Eindiffundieren eines Dotierstoffs des P-Typs in den Körper mit einer relativ geringen Oberflächenkonzentration in der Größenordnung von 1017 Atomen pro Kubikzentimeter gebildet. Dieser Übergang 23 läßt sich herstellen, indem man die Dotierung zur Oberfläche 14 unter gleichzeitigem Abdecken der Oberfläche 16 mit einer Maske aus Siliziumdioxid begrenzt, oder man läßt den Dotierstoff des P-Typs von beiden Seiten her eindringen und entfernt ihn yon der Oberfläche 16 in einem nachträglichen Ätz- oder Schleifschritt Alternativ kann ein PN-Übergang 23 auch durch epitaktisches Aufdampfen des P-leitenden Siliziums auf den Ausgangskörper 12 gebildet werden. Als nächstes werden isolierende Schichten aus Siliziumdioxid auf den Oberflächen 14 und 16 des Körpers 12 durch Erwärmen des Körpers für drei Stunden in einer Dampfatmosphäre gezüchtet. Sodann werden die isolierenden Schichten von ausgewählten Bereichen der oberen Fläche 14 und von einem Bereich der unteren Fläche 16 mit Hilfe von bekannten fotolithografischen Verfahren entfernt. Die freigelegten Bereiche bilden diejenigen Oberflächen, auf denen das äußere (P + )-Gebiet 20 und die (P +)-Bereiche 32 und 36 aufgebaut werden.
Danach wird eine Dotierquelle des P-Typs, z. B. Bornitrid, auf die frei liegenden Abschnitte der Oberfläche 14 und 16 aufgebracht. Der Halbleiterkörper wird dann für eine Zeitdauer von etwa einer halben Stunde auf 115O0C erwärmt, um das Bor in den Körper einzudiffundieren.
Im Anschluß daran wird zusätzliches Siliziumdioxid auf den Oberflächen 14 und 16 gebildet. Die Isolierschichten werden einem weiteren fotolithographischen Verfahrensschritt unterzogen, um die Abschnitte der Oberflächen freizulegen, die die äußeren (N+ ^leitenden Gebiete 26 und die hochleitenden (N + )-Gebiete 34 des N-leitenden Zwischengebiets 22 bilden sollen. Der Halbleiterkörper 12 wird dann zur Bildung dieser Gebiete für etwa zwei Stunden in Dämpfen einer Dotierquelle vom N-Typ, z. B. Phosphoroxidchlorid, auf 1265° C erhitzt.
Die verbleibenden Abschnitte des Siliziumdioxids werden dann entfernt und auf jede Oberfläche 14 und 16 wird eine dünne Goldschicht von etwa 2,5 nm Dicke aufgedampft oder auf andere Weise aufgebracht. Der Halbleiterkörper 12 wird dann für etwa eine Stunde in einer reduzierenden Atmosphäre einer Temperatur zwischen 8000C und 9000C ausgesetzt, wodurch Gold-Dotierstoffe in den Körper 12 eindiffundieren. Da
Gold erheblich leichter durch ein undotiertes oder nur leicht dotiertes Gebiet diffundiert, dienen die Abschnitte 28 und 30 der.beiden Zwischengebiete 22 und 24 als »Fenster«, die es ermöglichen, daß sich Gold-Dotierstoffe höherer Konzentration in dem zwischen den Abschnitten 28 und 30 gelegenen Teil des Körpers anreichern. Dies führt zu dem in Verbindung mit F i g. 2 beschriebenen Profil der Gold-Rekombinationszentren innerhalb des Halbleiterkörpers.
Das verbleibende Gold wird von den Oberflächen 14 und 16 entfernt. Die erste, die zweite und die Steuer-Elektrode 38, 40 und 42 werden dann auf den zugehörigen Oberflächen aufgebracht. Dies geschieht beispielsweise mittels eines Nickel-Elektroplattierverfahrens, und die Nickel-Elektroden werden danach durch Tauchen mit Lötmittel beschichtet. Die einzelnen Bauteile werden vom zusammengesetzten Plättchen getrennt, und die Nut wird in jedes Bauteil geätzt. Die zweite Elektrode 40 jedes Bauteils wird dann durch Löten mit einer metallischen Oberfläche verbunden, die von einer Fläche des Gehäuses des Halbleiterbauteils oder dessen Halterung gebildet werden kann.
Fig.3 zeigt ein schematisches Schaltbild 50 des Bauteils nach den F i g. 1 und 2, in dem ein Diodengleichrichter 52 zu einem Thyristor 54 antiparal-IeI geschaltet ist. Das Bauteil 10 ist der Schaltung 50 elektrisch äquivalent, weil zwischen dem als Anodengebiet der Diode 52 dienenden P-leitenden Zwischenbereich 24 und dem als Kathodengebiet für die Diode dienenden N-Ieitenden Zwischenbereich 22 ein Dioden-Übergang gebildet ist. Die erste und zweite Elektrode 38 und 40 bilden die Anode bzw. Kathode der Diode 52 in Fig. 3. Der gesteuerte Gleichrichter hat das P+ N-PN + Profil der Gebiete 20, 22, 24 bzw. 26 mit einer Anode 40, einer Kathode 38 und einer Steuer-Elektrode 42.
Im Betrieb ist der Diodengleichrichter leitend, wenn eine positive Vorspannung an der Kathode des Thyristors und eine negative Vorspannung an der Anode des Thyristors angelegt wird. Während der Perioden, in denen der Thyristor in Sperrichtung vorgespannt ist, ist deshalb die von den P- und N-Gebieten 24 und 22(Fig. 1) gebildete Umfangsdiode in Durchlaßrichtung vorgespannt und in einer der Durchlaßrichtung des Thyristors entgegengesetzten Richtung leitend. Die kreisringförmigen hochleitenden Bereiche 36 und 34 der beiden Gebiete und die oben beschriebenen Gold-Rekombinationszentren begrenzen den umgekehrt fließenden Diodenstrom des Halbleiterkörpers 12 wirksam. Wenn der Thyristor 54 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, kann er durch Anlegen von positiven Spannungspulsen an seiner Steuer-Elektrode aufgesteuert werden, wodurch das Bauteil in der vorstehend beschriebenen Weise arbeitet. Die elektrischen Charakteristiken des Vierschicht-Haibieiterbaueiemenis gemäß F i g. 1 öder 2 sind in F i g. 4 dargestellt, wo (auf der Ordinate) der von der Anode zur Kathode fließende Strom über der Spannung (Abszisse) zwischen Anode und Kathode aufgetragen ist. Wenn die Spannung zwischen der Anode und der Kathode des Thyristors in umgekehrter, nichtleitender Richtung einwirkt, ist der Thyristor-Abschnitt der Baueinheit nichtleitend, während der am Umfang liegende Diodengleichrichter in Durchlaßrichtung vorgespannt ist und Strom in Sperrichtung durchläßt. Dies ist durch den Ast 60 der Strom-Spannungskurve dargestellt. Wenn die Polarität der angelegten Vorspannung derart umgekehrt wird, daß der Thyristor in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, fließt ein geringer Reststrom. Bei Erhöhung der Vorspannung in Durchlaßrichtung wird ein Spannungspunkt 62 erreicht, in dem der Durchlaßstrom schnell anwächst. Wenn der Durchlaßstrom einen kritischen Wert überschreitet, gehl die Spannung am Thyristor auf einen niedrigeren Wert zurück. An diesem Punkt ist der Thyristor durchgesteuert, und der Durchlaßstrom steigt mit geringem Anwachsen der Vorspannung in Durchlaßrichtung schnell an. Dies ist im Ast 64 der Kennlinie in Fig.4 gezeigt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Vierschicht-Halbleiterbauelement mit integrierter, einem Thyristorbereich antiparallelgeschalteter Gleichrichterdiode, bestehend aus einem kristallinen Halbleiterkörper mit zwischen zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen und einem seinen Rand definierenden Umfang vorgesehenen vier aufeinanderfolgenden Halbleitergebieten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, wobei die vier Halbleitergebiete aus zwei an jeweils einer Hauptfläche gelegenen äußeren Gebieten und zwei aneinandergrenzenden Zwischengebieten bestehen, wobei jedes Zwischengebiet einen sich bis zur zugehörigen Hauptfläche erstreckenden Abschnitt aufweist und wobei ein im Bereich der jeweils zugehörigen Hauptfläche liegender Abschnitt eines der beiden Zwischengebiete zwischen dem angrenzenden äußeren Halbleitergebiet und dem Rand relativ zum restlichen Zwischengebiet hochleitend ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch das andere Zwischengebiet (22 bzw. 24) einen im Bereich der zugehörigen Hauptfläche (16 bzw. 14) zwischen dem angrenzenden äußeren Halbleitergebiet (20 bzw. 26) und dem Rand (18) liegenden Abschnitt (34 bzw. 36), der relativ zum restlichen Zwischengebiet hochleitend ist, aufweist und daß der hochleitende Abschnitt (34, 36) jedes Zwischengebietes (22, 24) vom benachbarten äußeren Gebiet (20, 26) durch einen sich zur zugehörigen Hauptfläche (16, 14) erstrekkenden, relativ niedrig leitenden Abschnitt (28, 30) des Zwischengebietes (22,24) getrennt ist
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper (12) eine Vielzahl von Rekombinationszentren gebildet ist, welche im wesentlichen zwischen den sich /u den Hauplflächcn (16, 14) erstreckenden, relativ niedrig leitenden Abschnitten (28, JO) der Zwischengebiete (22,24) konzentriert sind.
j. I lalbleitcrbauclemenl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rckombinaiiims/entren (JoId als Dotierstoff aufweisen.
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