DE2211116A1

DE2211116A1 - Steuerbares halbleiterbauelement mit vier schichten abwechselnd entgegengesetzten leitfaehigkeitstyps

Info

Publication number: DE2211116A1
Application number: DE2211116A
Authority: DE
Inventors: Lothar Herbing; Horst Schaefer
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG
Priority date: 1972-03-08
Filing date: 1972-03-08
Publication date: 1973-09-13
Also published as: IT981185B; GB1429262A; FR2175110B1; FR2175110A1; JPS491181A; ES412026A1; US3858236A; BR7301575D0; CH560972A5; AR193785A1

Description

SEMIKRON Ges. f. Gleichrichterbao u. Elektronik m.b.H.,

8500 Nürnberg - Wiesentalstraße' 40, Telefon 0911/37781 - Telex 06/22155

PA-Bu/Rü I 127201 6. März 1972

Steuerbares Halbleiterbauelement mit vier Schichten

abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps

Beim Umschalten steuerbarer Halbleiter-Gleichrichterelemente, sogenannter Thyristoren vom nichtleitenden in den leitenden Betriebszustand, auch als Durchschalten bezeichnet, ist der ansteigende Laststrom von der Anode zur Kathode bekanntlich infolge der durch die Ladungsträgerbewegung bestimmten Potentialverhältnisse zunächst auf einen der Steuerelektrode benachbarten Strompfad beschränkt. Dessen Querschnitt wird im wesentlichen durch denjenigen Bereich der Emitterzone bestimmt, in welchem, verursacht durch den Steuerstrom, die Emission von Ladungsträgern in die angrenzende Basiszone erfolgt. Diese Beschränkung des Stromflußquerschnitts und die relativ geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ladungsträgeremission über die Emitterfläche können bei steil ansteigendem Laststrom schon kurz nach dem Durchschalten zu einer unzulässigen spezifischen Belastung dieses ersten Strompfades und infolge der-ungenügenden Wärmeleitfähigkeit des Halbleitermaterials zu einer unerwünschten lokalen Erwärmung der Anordnung und zu deren Ausfall führen. ·

Die geringe Zündausbreitungsgeschwindigkeit ist bekanntlich auch die Ursache dafUr, daß bei Anwendungsfällen mit Betriebsfrequenzen ab etwa 1 kHz eine Ausweitung des anfänglichen Strompfades auf den verfügbaren Stromflußquerschnitt während der Durchlaßphase nicht erreicht wird und daher die bei niedrigerer Betriebsfrequenz zulässige Strombelastbarkeit der Bauelemente

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reduziert werden muß,

Zur Vermeidung dieser Nachteile, d. h. zur Erhöhung der ZUndausbreitungsgeschwindigkeit oder der sogenannten kritischen Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt, müssen daher die infolge des Steuerimpulses zur Emitterzone wandernden und dieselbe zur Emission anregenden Ladungsträger der Basiszone auf einen möglichst großen Bereich der Emitterzone gelenkt werden.

Eine Erhöhung der Zündleistung ist nicht beliebig möglich und fuhrt insbesondere bei punktförmiger Ausbildung der Steuerelektrode und deren Anordnung in einer Randzone der Emitterfläche oder außerhalb derselben aufgrund der Tatsache, daß die Ladungsträger jeweils entsprechend dem Verlauf des elektrischen Feldes zwischen Steuerelektrode und Emitterkontakt bevorzugt zu dessen nächstliegendem Bereich wandern, nicht zu den gewünschten Ergebnissen.

Dann sind besondere Ausbildungen der Steuerelektrode und Anordnungen derselben im Bezug auf die Emitterzone bekannt, womit jedoch stets eine Verringerung der Emitterkontaktfläche oder eine Vergrößerung der Steuerelektrode verbunden und dadurch die Forderung nach optimaler Strombelastbarkeit nicht erfüllt ist.

Weiterhin sind Thyristoren mit sogenanntem Querfeldemitter bekannt. Bei solchen Ausführungsformen endet die Emitterkontaktelektrode in beträchtlichem Abstand von der der Steuerelektrode gegenüberliegenden Emitter-Randzone. Die freibleibende, nicht metallisierte Emitterzonenfläche bildet fUr den zur Emitterzone fließenden Steuerstrom einen Begrenzungswiderstand, welcher einen Spannungsabfall erzeugt. Dieser hat ein die Ausbreitung der Ladungsträgeremission beschleunigendes, in der Ebene der Basiszone wirkendes elektrisches Feld zur Folge. Auch bei derartigen Anordnungen ist eine Verminderung der Emitterkontaktfläche erforderlich.

Dann sind Thyristoren bekannt, bei denen die ZUndausbreitung mit Hilfe einer auf demselben Halbleiterkörper gebildeten und als HiIfsthyristor

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wirkenden Anordnung erzielt wird. Dieser mit einer üblichen Steuerelektrode zu zündende Hilfsthyristör hat gleiches Verhalten wie der Hauptthyristor und löst durch seinen Anodenstrom die Zündung des letzteren aus_o Solche Ausführüngsformen weisen zusätzlich zum Nachteil der verminderten Emitterkontaktfläche noch denjenigen eines beträchtlichen Aufwands für den Aufbau und die Hersteilungsweise auf.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, steuerbare Halbleiter-Gleichrichterelemente ohne die den bekannten Anordnungen anhaftenden Nachteile und mit einer wesentlich verbesserten Zündausbreitungsgeschwindigkeit zu erzielen.

Die Erfindung betrifft ein steuerbares Halbleiterbauelement aus einem einkristallinen Halbleiterkörper mit vier schichtförmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, deren beide äußere Zonen je eine Kontaktelektrode für den Laststrom und deren an die eine äußere, als Emitterzone dienende Zone angrenzende innere Zone eine Kontaktelektrode für den Steuerstrom aufweisen und besteht darin, daß zwischen der Kontaktelektrode für den Steuerstrom und der Emitterzone mit Abstand zur letzteren eine in der an die Emitterzone angrenzenden inneren Zone liegende und mit dieser an deren Oberfläche abschließende, hochdotierte Zone mit der inneren Zone entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp als Barriere für die Ladungsträger des Steuerstroms angeordnet ist.

Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels werden Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Die Darstellung zeigt im Querschnitt und in einem zwecks Veranschaulichung wesentlich vergrößerten Maßstab die Struktur des Halbleiterkörpers eines erfindungsgemäßen Bauelements_c

Eine pnpn-Schichtenfolge weist eine schwachdotierte η-leitende mittlere Zone 1 auf, an deren eine Fläche eine höher dotierte äußere p-leitende Zone 3 und an deren andere Fläche eine höher dotierte innere p-leitende Zone 2 angrenzt, welche die Basis für die η -leitende äußere als Emitter be-

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zeichnete Zone 4 mit der den Emitterkqntakt oder die Kathode bildenden Kontaktelektrode 8 und für die als Steuerelektrode vorgesehene Metallisierung 10 bildet. An der äußeren Zone 3 ist eine als Anodenanschluß vorgesehene Kontaktelektrode 9 angebracht. .

Ist bei dem bisher beschriebenen, bekannten Schichtenaufbau an die Anode 9 eine gegenüber der Kathode 8 positive Spannung angelegt und liegen weiterhin Steuerelektrode 10 und Kathode in einem geschlossenen Steuerstromkreis mit höherem Potential an der Steuerelektrode, so werden aus der eine hohe Dotierungskonzentration aufweisenden Oberflächenschicht der Basiszone 2 im Bereich der Steuerelektrode als Folge des Steuerstroms Defektelektronen in tiefere Teilschichten der Zone injiziert. Diese Ladungsträger bewegen sich im wesentlichen parallel zur pn-Übergangsfläche und entsprechend dem zwischen Steuerelektrode und Emitterkontukt bestehenden elektrischen Feld zur Emitterzone und verursachen dort durch Ladungsanhäufung in dem der Steuerelektrode nächstliegenden Bereich eine Änderung der Potentialverhältnisse und dadurch eine Injektion von Elektronen in die Basiszone. Diese diffundieren unter der Wirkung des elektrischen Feldes zwischen Anode und Kathode durch die Zone 2 in die hochohmige Zone 1 und bewirken dort eine Änderung der Potentialverhältnisse und dadurch eine Injektion von Defektelektronen aus der äußeren Zone 3 in die Zonen 1 und 2. Die auf diese Weise zunehmende Injektion von Ladungsträgern im Vier-Schichtenaufbau ergibt einen Strompfad für den Laststrom von der Anode zur Kathode. Um den Einzugsbereich der von der Steuerelektrode kommenden Defektelektronen an der Emitterzone und damit die Anfangsinjektion zu vergrößern, weist erfindungsgemäß der vorbeschriebene Schichtenaufbau eine fUr die Defektelektronen als Barriere wirkende hochdotierte Zone 6 auf.

Diese ist in der Basiszone 2 und mit deren Oberfläche abschließend zwischen Steuerelektrode und Emitterzone mit Abstand zu beiden angeordnet und verläuft in vorteilhafter Weise parallel zum Rand der Emitterzone in einem durch herstellungstechnische Gesichtspunkte bestimmten Abstand zu derselben. Sie ragt in die Basiszone in einer Tiefe hinein, die einerseits durch

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einen hinreichenden Abstand zu der in der Basiszone -beim Einsatz sich bildenden Raumladungszone und andererseits durch die Forderung nach höchstmöglicher Barrierewirkung und Tiefenablenkung der Defektelektronen bestimmt wird.

Bei Anlegen eines gegenüber der Emitterzone positiven Impulses an die Steuerelektrode ist die der Steuerelektrode zugewandte innere Grenzfläche der Barriere 6 in Durchlaßrichtung gepolt, während die der Emitterzone zugewandte Grenzfläche der Barriere in Sperrichtung gepolt ist. Entsprechend der zwischen Steuerelektrode und Emitterzone bestehenden Potentialverteilung weist die nahe der Steuerelektrode befindliche Barriere annähernd das Potential des Steuerimpulses auf, so daß, da keine Ladungsträger aus der Barriere zur Emitterzone abfließen können, die Defektelektronen des Steuerimpulses nur auf Bahnen um die Barriere herum zur Emitterzone und zwar zu einem im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen größeren, im wesentlichen der Anode des Schichtenaufbaus zugewandten Bereich derselben gelangen.

Die Barriere 6 kann auch in der Weise angeordnet sein, daß sie wenigstens über einen Teil ihrer Oberfläche mit der Steuerelektrode kontaktiert ist.

Die Breite der Barriere 6 wird durch deren herstellungsbedingten Mindestabstand zur Emitterzone und durch den Abstand der Steuerelektrode zur Emitterzone bestimmt. Mit Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Anordnungen, bei denen die Barriere 6 eine Breite zwischen 200 und 500 um und eine Tiefe zwischen 10 und 30 um aufweist, wurden im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen zwei- bis fünffach höhere kritische Stromanstiegsgeschwindigkeiten erzielt. Die Tiefe der Barriere 6 sollte vorzugsweise einen Wert im Bereich bis zur zweifachen Dicke der Emitterzone aufweisen.

Eine Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung besteht darin, daß die Tiefe des der Barriere benachbarten Randbereichs der Emitterzone geringer ist, als diejenige des übrigen Bereichs der Emitterzone.

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Die Länge der Barriere 6, d. h. ihr Verlauf senkrecht zur Zeichenebene, richtet sich bei Anordnung ohne Kontaktierung mit'der Steuerelektrode nach der Länge der gegenüberliegenden Emitterkontakt-Randzone und bei Kontaktierung mit der Steuerelektrode nach deren Ausdehnung.

. iji'.oJ Die Barriere kann zur Begünstigung der Umlenkung der Ladungsträger eine

zur Emitterzone hin zunehmende Tiefe aufweisen.

Zur Herstellung des Gegenstandes der Erfindung wird eine Halbleiterscheibe mit beispielsweise η-Leitfähigkeit und geeigneter Dicke einem an sich bekannten Diffusionsverfahren zur Erzielung einer pnp-Schichtenfolge unterworfen. Im Anschluß daran wird zwecks Herstellung der η -leitenden Barriere 6, die eine größere Eindringtiefe als die Emitterzone aufweisen soll, über einen Maskierungsprozess zunächst die Barrierenzone bis zu einer vorbestimmten Eindringtiefe durch Diffusion hergestellt. In einem folgenden Verfahrensschritt wird ebenfalls durch Diffusion und mit Hilfe der Maskierungstechnik die n⁺-leitende Emitterzone erzielt, und gleichzeitig die Eindringtiefe der Barrierenzone auf den festgelegten Wert erhöht. Danach werden die Kontaktelektroden aufgebracht, wie sie beispielsweise in der Darstellung aufgezeigt sind. Der auf diese Weise gefertigte Schichtenaufbau wird schließlich noch mehreren Verfahrensschritten zur Kontaktierung von Stromleitungsanschlüssen zur Stabilisierung der elektrischen und physikalischen Eigenschaften und zur Einkapselung unterworfen, wie sie zum bekannten Stand der Technik gehören.

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Claims

h) Steuerbares Halbleiterbauelement aus einem Ginkristallinen Halbleiter-Körper sit vier schichtförmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, deren beide äußere Zonen je eine Kontaktelektrode fUr den Laststrora und deren an die eine äußere, als Emitterzone dienende Zone angrenzende innere Zone eine Kontaktelektrode für den Steuerstrom aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen der Kontaktelektrode für den Steuerstrom und der.Emitterzone mit Abstand zur letzteren eine in der an die Emitterzone angrenzenden inneren Zone liegende und mit dieser an deren Oberfläche abschließende, hochdotierte Zone mit der inneren Zone entgegengesetztem Leitfähigkeit»— typ als Barriere für die Ladungsträger des Steuerstroms angeordnet ist«
2) Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dß3 die Barriere wenigstens über einors Teil ihrer Oberfläche iait der Steuerelektrode kontaktiert ist»
3) Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 odor 2, dadurch gekennzeichnet s daß die Carrier© eine Tiefe bis ζυτ zweifachen Dicke der benachbarten Emitterzone aufweist.
4) Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des der Barriere benachbarten Randbereichs der Emitterzone geringer ist, als diejenige der, Übrigen Bereichs der Emitterzone O
5) Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Barriere eine zur Emitterzone hin zunehmende Tiefe aufweiste

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