DE2937258A1

DE2937258A1 - Glasversiegelter thyristor

Info

Publication number: DE2937258A1
Application number: DE19792937258
Authority: DE
Inventors: Joseph E Johnson; David L Moore; Joseph A Ostop
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-09-15
Filing date: 1979-09-14
Publication date: 1980-03-27
Also published as: BE878751A; BR7905849A; JPS5558571A; JPS58109268U; IN152228B; FR2436499A1; GB2031225B; GB2031225A; CA1134057A

Description

GIasversiegelter Thyristor

Die Erfindung betrifft einen glasversiegelten Thyristor mit einem dem Thyristoraufbau entsprechenden Halbleiterkörper.

Bekannte Halbleiteranordnungen, welche direkt auf Teile der Halbleiteranordnung aufgeschmolzenes Glas als Schutz von PN-Übergängen bzw. zu deren Passivierung benutzen, bestehen in der Regel aus einer einen geringen Strom führenden Diode. Es ist ferner bekannt, Halbleiter anordnungen zum Schutz in thermoplastische und harzhaltige Isoliermaterialien einzubetten. Derartige Schutzmaßnahmen sind durch die US-PS 3 475 662, 3 476 978, 3 476 988 und 3 486 084 bekannt. Es ist ferner in der Halbleitertechnik bekannt, dünne Glasschichten zum Passivieren von Halbleiterstrukturen vorzusehen. Diese dünnen Glasschichten werden in der Regel als Glasbrei auf den Halbleiter aufgebracht und nach dem Trocknen in einem Brennofen geglüht, bis das Glas verfließt und die passivierende Glasschicht entstanden ist. Derartige Passivierungstechniken sind jedoch auf Glasdicken in der Größenordnung von etwa 20 bis 3O.umbegrenzt. Mit Glasdicken dieser Stärke läßt sich

Fs/ai

jedoch

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jedoch keine vollständige Abdichtung und kein vollständiger Schutz gegen Umwelteinflüsse für die PN-Übergänge von Halbleiteranordnungen erzielen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, um Halbleiteranordnungen und insbesondere Thyristoren mit schützenden Glasschichten zu versehen, die wesentlich dicker sind und eine hermetische Abdichtung der PN-Übergänge sicherstellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster Glasring den PN-Übergang zwischen einem ersten Emitterbereich und einem ersten Basisbereich des Halbleiterkörpers hermetisch verschließt und schützt, daß ein zweiter Glasring einen weiteren PN-Übergang zwischen dem ersten Basisbereich und einem zweiten Basisbereich sowie einen dritten Übergang zwischen dem zweiten Basisbereich und einem zweiten Emitterbereich hermetisch verschließt und schützt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Ein derartiger nach den Maßnahmen der Erfindung aufgebauter Thyristor besteht im wesentlichen aus einem Halbleiterkörper mit parallel zueinander verlaufenden Hauptflächen und einer diese Hauptflächen verbindenden Randfläche. Der Halbleiterkörper ist seinerseits aus einem ersten Emitterbereich, einem ersten Basisbereich, einem zweiten Emitterbereich und einem zweiten Basisbereich aufgebaut. Der erste Emitterbereich und der erste Basisbereich erstrecken sich bis in die eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers und sind in diesem Bereich mit der Kathodenelektrode bzw. der Gate-Elektrode verbunden.

Der

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Der erste Basisbereich ist über den zweiten Basisbereich mit dem zweiten Emitterbereich verbunden, der auf der Außenseite die Anodenelektrode trägt. Um den zwischen dem ersten Emitterbereich und dem ersten Basisbereich liegenden PN-Übergang zu schützen, ist über diesem ein erster Glasring mit der Hauptfläche des Halbleiterkörpers verschmolzen. Ein zweiter Glasring umgibt die Randfläche des Halbleiterkörpers und bewirkt damit eine hermetische Abdichtung der PN-Übergänge zwischen dem ersten Basisbereich und dem zweiten Basisbereich sowie zwischen dem zweiten Basisbereich und dem zweiten Emitterbereich. Die Glasringe sind ferner mit den angrenzenden Teilen der Elektroden verschmolzen, so daß auch in diesem Bereich eine hermetische Abdichtung entsteht.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung durch einen Leistungstransistor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Schnittdarstellung durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine perspektivische Schnittdarstellung durch eine vierte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5

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Fig. 5 eine perspektivische Schnittdarstellung durch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine perspektivische Schnittdarstellung durch eine erste Form eines Glasringes;

Fig. 7 eine perspektivische Schnittdarstellung durch eine zweite Form eines Glasringes;

Fig. 8 einen Schnitt durch eine Montagevorrichtung, um die Komponenten des Thyristors zu halten;

Fig. 9 ein Zeittemperaturdiagramm für den Brennofen.

Der in Fig. 1 dargestellte scheibenförmig aufgebaute Thyristor 20 besteht aus einem Halbleiterkörper 22, vorzugsweise Silicium, mit zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Hauptflächen 19 und 23 und einer sich dazwischen erstreckenden Randfläche 27. Der Halbleiterkörper 22 ist mehrschichtig aufgebaut und besteht aus einem ersten N-Emitterbereich 24 , einem ersten P-Basisbereich 26, einem zweiten N-Basisbereich 28 und einem zweiten P-Emitterbereich 30. Kathoden-, Gate-, und Anodenelektroden 32, bzw. 36 sind am ersten Emitterbereich 24, am ersten Basisbereich 26 und am zweiten Emitterbereich 3o angebracht. Zwischen dem ersten Emitterbereich 24 und dem ersten Basisbereich 26 befindet sich ein erster PN-Übergang 21, der sich bis zur oberen Hauptfläche 23 des Halbleiterkörpers

erstreckt.

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erstreckt. Ein zweiter PN-Übergang 25 liegt zwischen dem ersten Basisbereich 26 und dem zweiten Basisbereich 28, der sich bis zu der Randfläche 27 des Halbleiterkörpers 22 er streckt. In entsprechender Weise ist auch ein dritter PN-Übergang 29 zwischen dem zweiten Basisbereich 28 und dem zweiten Emitterbereich 30 ausgebildet, der sich ebenfalls bis zur Randfläche 27 erstreckt. Die für die Transistor funktion erforderlichen und miteinander verschmolzenen Teile umfassen den Halbleiterkörper 22 sowie die Kathoden-.Gate- und Anodenelektrode. Die Kathodenelektrode 32 ist als Scheibe ausgebildet mit einer äußeren Kante 35. Die Gate-Elektrode 34 ist topfförmig aufgebaut und im Bereich einer Mittelbohrung mit einer Innenkante 38 versehen. Ein Glasring 40 ist auf die Hauptfläche 23 des Halbleiterkörpers 22 einerseits und mit der Innenkante 38 der Gate-Elektrode 34 sowie der Außenkante 35 der Kathodenelektrode 32 verschmolzen. Der Glasring 40 überdeckt den PN-Übergang 21 und versiegelt diesen hermetisch. Ein weiterer Glasring 46 ist mit der Randfläche 27 des Halbleiterkörpers und mit der Außenkante 48 der Anodenelektrode 36 sowie der Innenfläche 50 der Gate-Elektrode 34 verschmolzen. Dieser zweite Glasring 46 versiegelt die Randfläche 27 des Halbleiterkörpers 22 ebenfalls hermetisch.

Die Kathodenelektrode 32 sowie die Gate-Elektrode 34 und die Anodenelektrode 36 sind vorzugsweise aus einem Metall wie z. B. Molybdän, Wolfram oder Tantal hergestellt. Sowohl die Kathodenelektrode als auch die Gate-Elektrode werden vorzugsweise mit dem Halbleiterkörper 22 derart verbunden, daß zuerst eine dünne, nicht als Elektrode wirksame Nickelschicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers

angebracht

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anbebracht wird und die Elektroden mit Silberlot befestigt werden. Die Anodenelektrode 36 kann ebenfalls mit Silber auf die Oberfläche des P-Emitterbereiches 30 aufgelötet werden. Der Schmelzpunkt des Silberlotes sollte über der Schmelztemperatur der Glasringe 40 und 46, d.h. etwa in der Größenordnung von 720 C liegen. Das Verfahren zum Anbringen der Elektroden ist allgemein bekannt.

Die Dicke der Kat hodenelektrode 32, der Gate-Elektrode und der Anodenelektrode 36 müssen derart ausgewählt werden, daß keine zerstörerischen Spannungen während der Temperaturwechsel im Thyristor 20 entstehen. Typischerweise können für die Kathodenelektrode die Gate-Elektrode und die Anodenelektrode jeweils Materialien in der Dicke von etwa 0,25 mm, 0, 25 mm bzw. 0, 9 mm Verwendung finden. Der typische Durchmesser des Halbleiterkörpers beträgt dabei etwa 16, 5 mm. Die Kathodenelektrode 32 hat hierbei etwa einen Durchme sser von etwa 8, 9 mm, wobei der Durchmesser der Gate-Elektrode etwa 1, 1 mm betragen kann. Die Breite des Glasringes 46 beträgt etwa 0, 38 mm. Der Halbleiterkörper 22 hat typischerweise eine Dicke e von etwa 0, 25 mm.

Eine weitere in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform eines Thyristors 220 besteht aus einem Halbleiterkörper 222 mit im wesentlichen zwei Hauptflächen 223 und 219. sowie einer Randfläche 227. Der Halbleiterkörper 222 umfaßt einen ersten Emitterbereich 224, einen ersten Basisbereich 226, einen zweiten Emitterbereich 228 und einen zweiten Basisbereich 230. Die Kathodenelektrode 232, die Gate-Elektrode 234 und die Anodenelektrode 236 sind entsprechend jeweils dem ersten Emitterbereich 224, dem ersten Basisbereich 226

und

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und dem zweiten Emitterbereich 230 zugeordnet. Ein Glasring 240 ist mit der oberen Hauptfläche 223 des Halbleiterkörpers 222 verschmolzen und schließt den PN-Übergang 221 hermetisch ab. In entsprechender Weise ist ein zweiter Glasring 246 vorgesehen, der auf die Randfläche 227 aufgeschmolzen ist und diese ebenfalls hermetisch abschließt. Die Anodenkathode 236 ist topfförmig ausgebildet und unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform des Thyristors 20 gemäß Fig. 1.

Eine dritte Ausführungsform eines Thyristors 320 ist in Fig. dargestellt. Dieser Thyristor umfaßt einen Halbleiterkörper 322 mit im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Hauptflächen 323 und 319 sowie einer Randfläche 327. Der Halbleiterkörper 322 ist schichtförmig aufgebaut und umfaßt einen ersten Emitterbereich 324, einen ersten Basisbereich, 326 einen zweiten Basisbereich 328 und einen zweiten Emitterbereich 330. Die Kathodenelektrode 332, die Gate-Elektrode 334 und die Anodenelektrode 336 sind entsprechend dem Thyristoraufbau mit dem ersten Emitterbereich 324 , dem ersten Basisbereich 326 bzw. dem zweiten Emitterbereich 330 verbundea Ein Glasring 340 ist mit der Hauptfläche 323 einerseits und andererseits mit den Kanten der Kathodenelektrode 332 und der Gate-Elektrode 334 verschmolzen, um den PN-Übergang 321 hermetisch abzudichten. In entsprechender Weise ist ein Glasring 346 mit der Randfläche 327 des Halbleiterkörpers verschmolzen, um die Randfläche hermetisch zu verschließen. Der Thyristor 320 ist im wesentlichen gleichartig wie der Thyristor gemäß Fig. 1 aufgebaut, jedoch unterscheidet sich die Kathodenelektrode 322 durch ihre topfförmige Ausbildung und die Gate-Elektrode 334 aufgrund eines nach oben ab-

stehenden

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stehenden Ringabschnittes 342 entlang der Innenkante. Durch die topfförmige Ausgestaltung der Kathodenelektrode 332 und den hochgezogenen Rand 342 der Gate-Elektrode werden zusätzliche Oberflächen geschaffen, mit welchen der Glasring 340 verschmolzen werden kann.

In Fig. 4 ist ein weiterer Thyristor 420 dargestellt, der einen Halbleiterkörper 422 mit zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Hauptflächen 419 und 423 sowie eine Randfläche 427 umfaßt. Der Halbleiterkörper 422 besteht aus einem ersten Emitterbereich 424, einem ersten Basisbereich 426, einem zweiten Basisbereich 428 und einem zweiten Emitterbereich 430. Die Kathodenelektrode 432, die Gate-Elektrode 437 und die Anodenelektrode 436 sind jeweils entsprechend mit dem ersten Emitterbereich 424, dem ersten Basisbereich 426 und dem zweiten Emitterbereich 430 verbunden. Ein Glasring 440 ist mit der oberen Hauptfläche 423 des Halbleiterkörpers und den Kanten der Kathodenelektrode 432 sowie der Gate-Elektrode 434 verbunden, um den PN-Übergang 421 hermetisch abzudichten. Ein zweiter Glasring 446 ist mit der Randfläche 427 des Halbleiterkörpers 422 verbunden, um die angrenzenden PN-Übergänge hermetisch zu verschließen und zu passivieren. Der Thyristor 420 ist im wesentlichen wie der Thyristor 20 aufgebaut, jedoch ist die Lage des ersten Emitterbereiches 424 und des ersten Basisbereiches 426 gegenüber dem ersten Emitterbereich 23 und dem Basisbereich 26 des Thyristors 20 umgekehrt.

Eine fünfte Ausführungsform eines Thyristors 520 umfaßt einen Halbleiterkörper 522 mit zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Hauptflächen 519 und 523 sowie einer

Rand-

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Randfläche 527, die sich zwischen beiden Hauptflächen erstreckt. Der Halbleiterkörper 522 ist aus einem ersten Emitterbereich 524, eineiriersten Basisbereich 526, einem zweiten Basisbereich 528 und einem zweiten Emitterbereich 530 aufgebaut. Die Kathodenelektrode 532, die Gate-Elektrode 534 und die Andodenelektrode 536 sind jeweils entsprechend mit dem ersten Emitterbereich 524, dem ersten Basisbereich 526 und dem zweiten Emitterbereich 530 verbunden. Ein Glasring 440 ist mit der oberen Hauptfläche 523 des Halbleiterkörpers 522 sowie den Kanten der Kathodenelektrode 523 und der Gate-Elektrode 534 verschmolzen. Eine dünne elektrisch isolierende Schicht 546a aus Siliciumoxyd überzieht die Randfläche 527 und ist mit dem Halbleiterkörper 522 verschmolzen. Ein Glasring 546 ist mit der dünnen isolierenden Schicht 546a der Kante der Anodenelektrode 536 und der inneren Oberfläche der Gate-Elektrode 534 verschmolzen und dichtet die Randfläche 527 des Halbleiterkörpers hermetisch ab. Der Thyristor 520 ist im wesentlichen gleich dem Thyristor 20 aufgebaut, jedoch ist die Randfläche mit der dünnen elektrisch isolierenden Schicht 546a überzogen. Diese dünne elektrisch isolierende Schicht 546a stellt in Verbindung mit dem Glasring 546 eine hermetische Abdichtung der Randfläche und damit eine Passivierung der anstoßenden PN-Übergänge des Halbleiterkörpers dar. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß das Material für die elektrisch isolierende Schicht 546a entsprechend der* elektrischen Eigenschaften und dem für den Glasring 546 verwendeten Material ausgewählt werden kann, wodurch eine Anpassung an die thermischen und mechanischen Eigenschaften besser möglich ist.

Das Verfahren zur Herstellung dor verschiedenen Ausiührungsformen der Thyristoren ist im wesentlichen gleich. Aus

diesem

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diesem Grund wird die Herstellung anhand des Thyristors 20 gemäß Fig. 1 beschrieben.

Zunächst werden im Halbleiterkörper 22 der erste Emitterbereich 24, der erste Basisbereich 26, der zweite Basisbereich 28 und der zweite Emitterbereich 30 ausgebildet. Nachdem dies in herkömmlicher Weise z. B. mit Hilfe eines Diffusionsverfahrens erfolgt ist, wird die Anodenelektrode 36 mit dem zweiten Emitterbereich 30 längs der Oberfläche 19 z.B. mit Silber verlötet. Um scharfeKanten an dem Halbleiterkörper 22 zu entfernen und eine gekrümmte Randfläche 27 auszubilden, wird der Halbleiterkörper 22 sandgestrahlt. Die Kathodenelektrode und die Gate-Elektrode 34 werden am Halbleiterkörper durch Aufbringen von elektrodenlosem Nickel auf die Hauptfläche 23 und durch das Auflöten der Elektroden ausgebildet, wobei ebenfalls Silberlot Verwendung finden kann.

Es wird bevorzugt, die Kathodenelektrode 32 und die Gate-Elektrode 34 am Halbleiterkörper 22 unter Verwendung eines nicht legierenden Verfahrens zu verwenden, um die Ausbildung von Diffusionsbereichen im Halbleiterkörper zu vermeiden, da derartige Diffusionsbereiche Spannungen in der Nähe der Innenkante 38 der Gate-Elektrode und der Außenkante 35 der Kathodenelektrode auslösen können. Diese Spannungen könnten ein Brechen des Halbleiterkörpers 22 verursachen. Es ist ferner wünschenswert, daß die Elektroden mit einem Verfahren aufgebracht werden, das Temperaturen erfordert, die oberhalb der Schmelztemperatur von etwa 700 C des Glases liegen, welches für die Glasringe 40 und 46 verwendet wird.

Ein geeignetes Verfahren, um die Kathodenelektrode und die Gate-Elektrode am Halbleiterkörper zu befestigen, besteht

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in der Ausbildung einer dünnen, nicht als Elektrode wirkenden Nickelschicht auf der Hauptfläche 2 3 des Halbleiterkörpers Auf dieser Nickelschicht werden dann die Elektroden mit Silberlot befestigt. Durch die Verwendung von Silberlot läuft das Verfahren bei Temperaturen in der Größenordnung von etwa 900°C ab, welches eine Temperatur ist, die über dem Schmelzpunkt der Glasringe 40 und 46 liegt. Während dem Verlöten mit Silberlot sorgt die elektrodenlose Nickelschicht für eine gute Adhäsion am Halbleiterkörper und verhindert außerdem unerwünschte Diffusionsbereiche, welche bei Legierungsverfahren in der Regel auftreten. Diese Verfahren sind in der Halbleitertechnik bekannt.

Nach dem Aufbringen der Elektroden wird ein vorgefertigter Glasring 640 gemäß Fig. 7 mit der Innenkante 38,der Gate-Elektrode 34, der Außenkante 35, der Kathodenelektrode 32 und der Hauptfläche 23 des Halbleitermaterials 22 verschmolzen, wodurch der erste Gl^asriⁿS40 entsteht. Ein zweiter ringförmiger Glasrohling 646 wird mit der Randfläche 27 des Halbleiterkörpers 22, der Kante der Anodenelektrode 36 und der inneren Oberfläche der Gate- Eektrode 34 verschmolzen, um den zweiten Glasring 46 herzustellen. Als erster Verfahrens schritt beim Verschmelzen der Glasrohlinge 640 und 646 müssen diese Glasrohlinge nach dem folgenden Verfahren gereinigt werden.:

a) alle Komponenten werden in einem Reaktionsmittel wie Trichloräthylen gekocht;

b) alle Komponenten werden zweimal für jeweils eine Minute in dem Reaktionsmittel Trichloräthylen gespült;

c) alle Komponenten werden jeweils für eine Minute in einem Reaktionsmittel wie Azeton unter Einwirkung von Ultraschall

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schall gespült;

d) alle Komponenten werden bei Raumtemperatur auf einem Filterpapier liegend getrocknet;

Nach dieser Reinigung der Komponenten werden diese in eine Montagevorrichtung gemäß Fig. 8 eingelegt. Diese Montagevorrichtung umfaßt einen Basisblock 60 mit einer Ausnehmung 62, deren Durchmesser ausreicht, um die Gate-Elektrode 34 satt sitzend aufzunehmen. Der Glasrohling wird in dem Bereich zwischen der Kathodenelektrode 32 und der Gate-Elektrode 34 eingesetzt. Der zweite Glasrohling 646 wird anschließend zwischen die Randfläche 27 des Halbleiterkörpers 22 und die innere Randfläche der Gate-Elektrode 34 eingefügt. Die Höhe des Glasrohlings 660 wird derart gewählt, daß in dem Montageaufbau gemäß Fig. 8 der Glasrohling 640 geringfügig über die Kathodenelektrode 32 und den benachbarten Rand der Gate-Elektrode 34 hinausragt. In entsprechender Weise wird auch der Glasrohling 646 in seinen Abmessungen so bestimmt, daß der obere Rand über die Gate-Elektrode und die Anodenelektrode 36 hinausragt. Ein Graphitgewicht 64 wird anschließend auf den Glasrohling 646 aufgelegt und der auf diese Weise zusammengefügte Montageaufbau in einem Brennofen erhitzt, um die Glasrohlinge zu verschmelzen, so daß die Glasringe 40 und 46 entstehen. Das Glühen des montierten Aufbaus erfolgt in einem Fusionsofen bei einer Atmosphäre, welche aus Stickstoff und Wasserdampf besteht, welche einen Gesamtdruck von 1 at und einen Partial-

-3 -2

druck für den Wasserdampf von etwa 10 bis 10 at hat.

Die geforderte Atmosphäre wird durch Mischen von etwa 2 Teilen trockenem Stickstoff mit etwa einem Teil nassem Stickstoff erhalten, wobei der nasse Stickstoff dadurch erzeugt wird, daß trockener Stickstoff durch etwa 2 1/2 cm

030013/0847 deionisiertes

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deionisiertes Wasser in einer Waschflasche unter Blasenbildung geführt wird. Nachdem ii dem Brennofen die erforderliche Atmosphäre aufgebaut ist, wird der Ofen erwärmt und die verschiedenen Temperaturzyklen durchfahren, wie sie aus Fig. hervorgehen.

Aus der Darstellung gemäß Fig. 9 erkennt man, daß die Anfangstemperatur des Ofens etwa 350 C beträgt. Von dieser Temperatur ausgehend wird der Ofen auf eine Temperatur von etwa 700 bis 720 C in einem Zeitraum von etwa 25 Minuten gebracht. Diese hohe Temperatur wird für eine Zeitdauer von etwa 20 Minuten aufrechterhalten. Bei Temperaturen im Bereich von etwa 700 C beginnen die Glasrohlinge 640 und 646 weich zu werden und zu fließen. Die Benetzbarkeit von Silicium bezüglich Glas und der durch das Graphitgewicht 64 ausgeübte Druck bewirken, daß das weiche Glas gleichmäßig entlang den Kanten des Halbleiterkörpers

22 und den Kanten der Elektroden in den Innenraum der topfförmigen Gate-Elektrode fließt. Der Querschnitt der Glasrohlinge ist derart ausgewählt, daß das zur Verfügung stehende Material gerade ausreicht, um den freien Raum zwischen der Randfläche 27 des Halbleiterkörpers 22 und der Innenfläche der Gate-Elektrode 34 voll auszufüllen. Dadurch ergibt sich der Glasring 46 mit dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt. In entsprechender Weise wird der zweite Rohling 46 erweicht und mit der Innenkante 38 der Gate-Elektrode, der Hauptfläche

23 des Halbleiterkörpers 22 sowie der Außenkante 35 der Kathodenelektrode verschmolzen. Die Abmessungen des Glasrohlings sind ebenfalls so gewählt, daß genügend Material zur Verfügung steht, um den Zwischenraum zwischen der Kathodenelektrode und der Gate-Elektrode auszufüllen.

Nach

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Nach der Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 700 und 720°C wird diese auf etwa 525 C während einer Zeitdauer von etwa 15 Minuten verringert. Auf diesem Temperaturbereich von 525 C wird der Glühofen für etwa 10 Minuten gehalten, um anschließend in einer Zeitdauer von etwa 15 Minuten auf 480 C abgekühlt zu werden. Die Temperatur von 480 C wird ebenfalls für 20 Minuten beibehalten. Daran schließt sich eine weitere Abkühlung auf 410 C in einem Zeitraum von etwa 15 Minuten an, wonach die Temperatur von 410 C für etwa 30 Minuten beibehalten wird. Nach diesem Zeitraum wird die Abkühlung auf Zimmertemperatur während etwa 30 Minuten durchgeführt.

Die Auswahl der Glassorte für die Glasrohlinge 640 und ist äußerst wichtig, insbesondere bezüglich der thermischen Expansionskoeffizienten, da diese an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterkörpers 22 angepaßt oder größer als dieser sein soll. Außerdem ist zu beachten, daß das Expansionsverhalten von Glas in Abhängigkeit von der Temperatur verschieden von dem Kontraktionsverhalten ist, wenn Glas abgekühlt wird. Alle diese Eigenschaften sind sorgfältig zu berücksichtigen bei der Auswahl des Glases. Geeignete Gläser für die Glasrohlinge 640 und 646 haben einen thermischen Expansionskoeffizienten in der Größenordnung von etwa 4 χ 10~ bis etwa 6x10 cm/cm/ C. Dabei soll das Glas im wesentlichen frei von Alkaliionen sein. Im übrigen werden folgende Bedingungen an das Glas gestellt.

1. das Glas muß eine stabile Struktur haben, d.h. es darf sich nicht entglasen oder nachteilige Separationsphasen während des Schmelzprozesses durchlaufen;

2. das Glas muß eine gute chemische Widerstandsfähigkeit

gegen die

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gegen die Umweltseinflüsse und Feuchtigkeit haben;

3. das Glas muß eine thermische Expansionscharakteristik haben, welche mit der der Fusion bzw. dem Halbleiterkörper kompatibel ist;

4. das Glas muß das Halbleitermaterial benetzen und gegenüber diesem adhäsiv sein;

5. die Viskosität des Glases muß gering genug sein, damites innerhalb der vorgesehenen Räume einwandfrei verfließt;

6. das Glas darf die Oberfläche des Halbleiterkörpers oder

der Elektrode nicht in nachteiliger Weise chemisch beeinflussen;

7. die thermischen Charakteristiken des Glases müssen derart sein, daß Spannungen durch Temperaturzyklen innerhalb der Grenzen der Temperaturbelastbarkeit des Thyristors auszugleichen sind;

8. das Glas muß eine Schmelztemperatur haben, die unterhalb der Degenerationstemperatur des Thyristors liegt;

9. der fertiggestellte Transistor muß elastisch auf Temperaturstöße und Temperaturzyklen reagieren sowie gute mechanische Festigkeit haben.

Geeignete Gläser für die Glasrohlinge 640 und 646 enthalten folgende Zusammensetzungen in Gew. -%:

₂ 32-40 %

B₂O₃ 12-33 %

PbO 42-48 %

Al₂O₃ 2-6 %

Als eine besonders vorteilhafte Kompostion wurde ein Glas mit folgender Zusammensetzung in Gew. -%en ermittelt:

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SiO 36 + 4 %

B₂O₃ 15+ 3%

PbO 45 + 3 %

Al₂O₃ 3 + 1 %

Man hat festgestellt, daß sich günstigere und bessere Gleichmäßigkeiten bezüglich der elektrischen Charakteristiken erzielen lassen, wenn die ringförmigen Glasrohlinge von einem entspannten Glasrohr geschnitten werden. Es wird angenommen, daß sich dies aufgrund der Tatsache ergibt, daß die Glasrohlinge dieser Art eine glattere innere Oberfläche und eine konsistente thermische Vorgeschichte haben.

Die Thyristoren gemäß den Fig. 2 bis 5 können im wesentlichen nach demselben Verfahren hergestellt werden. Eine Ausnahme stellt der Thyristor gemäß Fig. 5 insofern dar, als die dünne isolierende Schicht 546a vor dem Schmelzen der Glasrohlinge aufgebracht werden muß. Diese Schicht kann durch ein Niederschlagen von Siliciumoxid auf der Randfläche 527 des Halbleiterkörpers 522 aufgebaut werden. Die Oxidschicht kann jedoch auch in bekannter Weise aufgewachsen werden. Sobald die isolierende Schicht 546a ausgebildet ist, verläuft der übrige Prozeß des Herstellungsverfahrens in der bereits beschriebenen Weise.

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Claims

Neue Patentansprüche

1. Glasversiegelter Thyristor mit einem dem Thyristoraufbau entsprechenden Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein erster Glasring (40) den PN-Übergang (21) zwischen einem ersten Emitterbereich (24) und einem ersten Basisbereich (26) des Halbleiterkörpers (22) hermetisch verschließt und schützt,

- daß ein zweiter Glasring (46) einen weiteren PN-Übergang zwischen dem ersten Basisbereich (26) und einem zweiten
Basisbereich (28) sowie einen dritten Übergang zwischen dem zweiten Basisbereich (28) und einem zweiten Emitterbereich (30) hermetisch verschließt und schützt.

2. Glasversiegelter Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine topfförmig ausgebildete Gate-Elektrode (34) einen Innendurchmesser für den Rand aufweist, der größer als der Durchmesser einer Anodenelektrode (36) des Thyristors ist.

3. Glasversiegelter Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Gate-Elektrode mit der Innenkante einer Bohrung
im Boden der topfförmigen Elektrode an den ersten Glasring (40) anschließt und mit der Innenseite der topfförmigen Elektrode den zweiten Glasring (46) über den gesamten äußeren Umfang umschließt. 030013/0847

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4. Glasversiegelter Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Kathodenelektrode von dem ersten Glasring(40) umgeben ist.

5. Glasversiegelter Thyristor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Halbleiterkörper, die Kathodenelektrode sowie der erste und der zweite Glasring als auch die Gate-Elektrode jeweils koaxial zueinander angeordnet sind.

6. Glasversiegelter Thyristor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß der erste und der zweite Glasring im wesentlichen frei von Alkalielementen sind.

7. Glasversiegelter Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß der erste und zweite Glasring aus einem Glas bestehen, welches im wesentlichen folgende Zusammensetzungen in Gewichtsprozent hat: SiO gleich 36 + 4 %; B₀O gleich

Ct ^~" Lt O

17, 5 % + 5, 5 %; PbO gleich 45 % + 3 % und Al₃O gleich 4 % + 3 %.

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