DE3518863A1

DE3518863A1 - Halbleitertablette mit verringerter oberflaechenfeldintensitaet

Info

Publication number: DE3518863A1
Application number: DE19853518863
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Nakagawa; Kazuhiko Niwayama; Shigekazu Itami Hyogo Yoshida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1985-05-24
Publication date: 1985-11-28
Also published as: JPS60250670A

Description

Haibleitertablette mit verringerter Oberflächenfeld-
intensität Die Erfindung betrifft eine Halbleitertablettenstruktur, die einen oberflächen-freigelegten Übergangsbereich aufweist, der eine verringerte eiekhrische Feldintensität vorzeigt.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines konventionellen in zwei Richtungen leitenden Thyristors, umfassend eine kreisrunde Halbleiterpille 1, die eine erste Ringemitterschicht 3 vom N-Typ, eine zweite Basisschicht 4 vom P-Typ, eine erste Basisschicht 2 vom I-Typ, eine Niedrigwiderstandsschicht 5 vom N -Typ und eine zweite Emitterschicht 6 vom P-Typ aufweist. Bezugszeichen 11 und 12 bezeichnen die entsprechende obere und untere Oberfläche der Pille.
Die Halbleiterpille 1 kann ful0k t I()llCi.I in drei Regionen unterteilt werden: Eine Gateregion 15 im Mittenteil, eine Ringthyristorregion 14, welche die Gateregion umgibt und eine Ringdiodenregion 16 am äußeren Umfang der Pille. Die Thyristorregion 14 besteht in vertikaler Richtung gesehen aus der ersten Emitterschicht 3, der zweiten Basisschicht 4, der ersten Basisschicht 2, der Niedrigwiderstandsschicht 5 und der zweiten Emitterschicht 6. Die Gateregion 15 schließt die erste Emitterschicht 3 aus. Die Diodenregion 16 schließt sowohl die erste als auch die zweite Emitterschicht 3 und 6 aus. Eine Gateelektrode 10 ist zentral auf der oberen Oberfläche 11 befestigt und ist der Gaterecgiorl 15 zugeordnet und bildet: einen ohmschen Kontakt mit der zweiten Basisschicht 4. Eine Ringkathodenelektrode 9 ist mit den Oberflächen der ersten Emitterschicht 3 und der zweiten Basisschicht 4 in ohmscher Kontaktberührung fixiert. Eine Anodenelektrode 7 ist mit der unteren Oberfläche 12 der Pille 1 in ohmscher Kontaktberührung fixiert.
Eine metallische Träger- oder Stärkungsplatte 8 ist mit der unteren Oberfläche der Anodenelektrode verbunden. Die periphere Stirn- oder Außenfläche um die Übergangszone 13 herum, die zwischen den Schichten 4 und 2 gebildet ist, ist mit einer negativen Schräge ausgestaltet.
In einem solchen Thyristor ist die Übergangs struktur von einem einem PN+IPN-Typ. Der PN IPN-Übergang ist eine Variation des PIN-Uberganges, dessen Verarmungszonenbreite niedriger gemacht werden kann als die einer reinen PN-Übergangsvorrichtung mit der gleichen Spannungskapazität. Somit kann ein Thyristor, der eine PN + IPN-Übergangsstruktur aufweist, im Vergleich mit einem PNPN-Übergang eine niedrigere erste Basisschicht 2 aufweisen, welche der I-Schicht entspricht, und zwar mit der gleichen Spannungskapazität. Das Bilden eines PN IPN-überganges ist daher ein wirksamer Weg, um den Vorwärtsspannungsabfall zu verringern und um die elektrischen Charakteristiken bei angehobenen Temperaturen zu verbessern. Die Außenfläche oberhalb der Übergangszone 13 eines solchen Thyristors kann einen negativen Abschrägungswinkel von 3° aufweisen. Jedoch wird als Ergebnis die verfügbare Leitfähigkeitsfläche verringert.
Um nun diesen Nachteil zu überwinden, ist eine Struktur gemäß Fig. 2 vorgeschlagen worden, gemäß der die periphere Oberfläche der Verbindungszone des Thyristors derart ausgestaltet ist, daß sie einen positiven Abschrägungswinkel von ungefähr 600 aufweist. Ein solcher abyeschragler Bcreich nimmt ein kleineres peripheres Oberflächengebiet der Halbleiterpille 1 ein. Das verfügbare Leitfähigkeitsgebiet des Thyristors ist somit größer als das des Thyristors gemäß Fig. 1. Jedoch wird in einem Thyristor, der eine PIN-Übergangsstruktur aufweist sowie einen positiven Abschrägungswinkel, wie in Fig. 2 gezeigt, wenn eine Spannung VD2, die geringer ist als die Durchschlagsspannung VBO, abhängig von dem spezifischen Widerstand der Hochwiderstandsschicht 2, an den Thyristor angelegt wird, die Schicht 2 durch eine Verarmungszone aus- bzw. aufgefüllt.
Manchmal wird diese Verarmungszone soweit wie die N+-Schicht ausgedehnt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Verarmungszonen, welche rund um den Übergangsbereich erzeugt werden sowie Feldintensitätsvektoren auf der peripheren Oberfläche, wenn die Spannungen VD1 und VD2 an den in Fig. 2 gezeigten Thyristor angelegt werden. Die Grenzlinie A der Verarmungsschicht ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die Beziehung zwischen den Spannungen VD1 und VD2 ist mit Bezug auf VBO VDl<VD2<VBO. Pfeile E zeigen die Feldintensität auf der peripheren Oberfläche, wenn die entsprechenden Spannungen angelegt werden. Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, wird in einer PIN -Struktur die Feldintensität gegenüberliegend dem übergang der N+-Typschicht 5 auf der freigelegten peripheren Oberfläche sehr hoch.
Als Ergebnis verursacht eine PIN + -Struktur eine Oberflächenzerstörung am Thyristor, die ihren Ursprung hat in der kristallinen Unvollständigkeit sowie in absorbierten Ionen.
Daher beinhalten die Nachteile eine unzureichende Langzeitoberflächenstabilität und -zuverlässigkeit. Dies wurde durch eine geringe Durchbruchsspannung in Stabilitätstests bestätigt, dann nämlich, wenn die Spannung bei Raumtemperatur oder angehobenen Temperaturen angelegt wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile einer Pille vom PIN-Typ zu überwinden, die einen positiv abgeschrägten Ubergangsbereich aufweist.
Desweiteren soll eine Halbleitervorrichtung geschaffen werden, die eine verbesserte Oberflächenstabilität sowie eine Langzeitzuverlässigkeit aufweist und zwar durch Verringern der Feldintensität auf der peripheren Oberfläche einer N +-Schicht. Um nun diese Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung eine Pille vom PIN -Typ, in der ein äußerer Umfangsbereich ausgekerbt oder mit einer Nut oder Rinne versehen ist, wobei ein nach außen sich erstreckender Bereich einer I-Schicht von verringerter Dicke übrigbleibt. Eine solche Kerbe oder Nut oder Rinne bewirkt, daß die äußere Grenzfläche der Verarmungszone im Bereich des verringerten Dickenteils und vor dem Erreichen der radial äußersten Oberfläche der Pille endet, wodurch die Oberflächenfeldintenistät über dem N + -Ubergangsgebiet verringert wird.
Im folgenden werden die Figuren beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 und 2 Schnittansichten der Struktur eines ersten und zweiten konventionellen in Sperrichtung leitenden Thyristors, Fig. 3 und 4 vergrößerte Querschnittsansichten der peripheren Oberfläche des Thyristors gemäß Fig. 2 mit unterschiedlichen angelegten Spannungen, Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer Thyristorstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 6 eine vergrößerte Schnittansicht der peripheren Oberfläche des Thyristors gemäß Fig. 5, und Fig. 7 eine Schnittansicht der Struktur eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Gemäß Fig. 5 sind die Grenzschichten oder Flächen der Verarmungszone durch gestrichelte Linien gezeigt, welche erzeugt werden, wenn eine Spannung VD2 angelegt ist. Die Strukturschichten des Thyristors entsprechen denen der in den Fig. 1 und 4 gezeigten und sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In dieser Vorrichtung weist die Halbleiterpille 1 einen spezifischen Widerstand von 300 bis 400 Ohm-cm auf. Eine zweite Basisschicht 4 enthält eine diffundierte Störstellenkonzentration von 1018/cm3 und eine Breite von 90 ßm.
Eine erste Basisschicht 2 weist eine Breite von 320 ßm auf.
Eine N + -Schicht 5 weist eine diffundierte Störstellenkonzentration von 1018/cm und eine Breite von 60 am auf. Die periphere Oberfläche der Übergangszone 13 enthält einen positiven Abschrägungswinkel von ungefähr 600 und die Breite W des äußeren Umfangsbereiches der ersten Basisschicht 2 beträgt 100 ßm.
Die strukturelle Konfiguration ist durch einen positiven Abschrägungswinkel an der peripheren Oberfläche der Ubergangszone, durch eine erste Basisschicht 2, deren radial äußerste Peripherie dünner ist als ein mehr zentraler Bereich, und durch einen Ringausschnitt oder Kerbe charakterisiert, die im Schnitt eine Treppenstufe definiert.
Wenn bei einer solchen Struktur eine Spannung angelegt wird, wird eine Verarmungszone im Mittenteil des Thyristors erzeugt und dehnt sich soweit wie die N + -Schicht 5 aus. Der freigelegte äußere Umfang oder Peripherie der Verarmungszone überspannt das abgeschrägte Gebiet der übergangszone 13 oberhalb der ersten Basisschicht 2 und fließt jedoch innerhalb des unteren gestuften Bereiches der ersten Basisschicht ab, um hierdurch bedeutend die Feldintensität auf der peripheren Oberfläche zu verringern, wie in Fig. 5 gezeigt.
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Verarmungszone in einem Sperr- bzw. Rückwärts-Leitfähigkeitsthyristor mit einer PIN -Typstruktur gemäß der Erfindung. Die eingekreisten Bezugszeichen 1, 2, 3 und 4 bezeichnen die Grenzschichten von entsprechenden Verarmungszonen, welche bei angelegten Spannungen von VD1, VD2, VD3 und VD4 sich bilden und untereinander die Beziehung erfüllen: VD1<VD2<VD3<VD4, Wenn wie in Fig. 6 gezeigt, eine Vorwärtsspannung an den Thyristor angelegt wird, dehnt sich die äußere Seite der Verarmungszone in die erste Basisschicht 2 aus und erstreckt sich horizontal unterhalb der Oberfläche 20 der ersten Basisschicht, ohne die peripheren Grenzen dieser Schicht zu erreichen. Folglich wird die Feldintensität auf der freigelegten äußeren peripheren Oberfläche der N -Schicht 5 gegenüberliegend ihrem übergang nicht annähernd so hoch wie im Falle des Standes der Technik gemäß Fig. 3.
Die Aufgabe der Erfindung wird somit durch Schaffung einer Struktur mit verbesserter Oberflächenstabilität realisiert, sowie mit einer Langzeitzuverlässigkeit und einer größeren verfügbaren Leitfähigkeitsfläche. Ein Rückwärts-Leitfähigkeitsthyristor mit einer Struktur der Erfindung, der geeignet ist eine Spannung von 4,5 KV und einem elektrischen Strom von 1000 A zu widerstehen, zeigt exzellente Ergebnisse in Spannungsstabilitätstests sowohl bei Raumtemperatur als auch bei angehobenen Temperaturen.
Fig. 7 zeigt eine andere Vorrichtung nach der Erfindung, in der ein freigelegter oberer Oberflächenbereich 22 der ersten Basisschicht 2 eine Dicke W aufweist und die Übergangszone 13 eine positive Abschrägung aufweist, und zwar als Ergebnis einer abgeschrägten Ringnut 24, die sich nach unten durch die zweite Basisschicht 4 in die erste Basisschicht erstreckt. Mit einer solchen Struktur wird die äußere Seite der Verarmungszone gebildet, wie durch die gestrichelte Linie gezeigt. Die verringerten Feldintensitätswirkungen sind die gleichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung ist nicht auf den Rückwärts-Leitfähigkeitsleistungsthyristor mit Diodenregionen an seinem Umfang begrenzt. Sie kann außerdem in gleicher Weise wcnbr sein bei einem Abschaltthyristor (gateausschaltbarer Thyristor) mit PIN +-Dioden an seinem Umfang.
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Claims

Haibleitertablette mit verringerter Oberflächenfeldintensität P PATENTANSPRÜCHE : t10 Halbleiterpille mit Zentral und Umfangs regionen und einer ersten und zweiten Hauptoberfläche (11, 12), g e k e n n z e i c h n e t durch a) eine erste Niedrigwiderstandsschicht (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die die erste Hauptoberfläche bildet, b) eine Hochwiderstandsschicht (2), die die erste Schicht gegenüberliegend der ersten Hauptoberfläche berührt und mit ihr eine übergangszone (13) bildet, c) eine Niedrigwiderstandsschicht (5) von einem zweiten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die mit der Hochwiderstandsschicht gegenüberliegend der übergangszone in Berührung steht und die zweite Hauptoberfläche bildet, d) eine periphere Oberfläche der Umfangsregion, die eine positive Abschrägung aufweist, welche die Ubergangszone umspannt, und e) einen Umfangsbereich der ersten Niedrigwiderstandsschicht und der Hochwiderstandsschicht, welche von der ersten Hauptoberfläche abgetrennt ist und einen nach außen sich erstreckenden Bereich der Hochwiderstandsschicht von verringerter Dicke (W) übrigläßt, wodurch die äußere Grenzschicht einer Verarmungszone, die durch Anlegen einer Vorwärts spannung über der Pille gebildet wird, im Bereich des verringerten Dickenbereiches und vor dem Erreichen des radial äußersten Bereiches der Umfangsregion der Pille endet, um hierdurch die elektrische Feldintensität der freigelegten Oberfläche der zweiten Niedrigwiderstandsschicht zu verringern.
2. Halbleiterpille nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hochwiderstandsschicht eine geringere Breite aufweist als die einer Verarmungszone, die durch die angelegte Maximumspannung gebildet wird.
3. Halbleiterpille nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Rückwärts-Leitfähigkeitsthyristor eine Thyristorzone in der Zentralregion und eine Diodenzone in der Umfangsregion aufweist.
4. Halbleiterpille nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der erste Leitfähigkeitstyp ein P-Typ ist, während der zweite Leitfähigkeitstyp ein N-Typ ist, und daß die Hochwiderstandsschicht vom I-Typ ist.
5. Halbleiterpille nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der abgetrennte bzw. abgeschnittene Umfangsbereich durch eine Ringtreppenstufenkerbe definiert ist.
6. Halbleiterpille nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der abgetrennte Umfangsbereich durch eine schräge Ringnut definiert ist.