DE3723150C2 - - Google Patents

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DE3723150C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-GTO-Thyristor der im Oberbegrtiff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Ein derartiger Thyristor ist aus EP 00 77 930 A2 bekannt. Beim Betrieb wird dort auf die Oberfläche der Anodenelektro­ den sämtlicher vorhandener Elementarthyristoren eine gemeinsa­ me Elektrodenplatte in Druckkontakt aufgebracht, so daß alle Elementarthyristoren parallel geschaltet werden und insgesamt eine hohe Stromstärke erzielt werden kann.
Um die Herstellung von GTO-Thyristoren insgesamt großer Fläche mit guter Ausbeute zu ermöglichen, werden die Elemen­ tarthyristoren einzeln geprüft und diejenigen, die Defekte aufweisen, durch einen Trimmvorgang eliminiert, so daß nur die brauchbaren Elementarthyristoren zum Einsatz kommen (vgl. US 43 41 011).
Eine Schwierigkeit besteht beim Stand der Technik darin, daß dann, wenn die einzelnen Elementarthyristoren große Flä­ chen aufweisen, bei der Feststellung von Defekten entsprechend große Teile der gesamten Thyristoranordnung ausfallen. Werden die Elementarthyristoren dagegen mit verhältnismäßig kleinen Flächen hergestellt, so ergibt sich eine entsprechend kompli­ zierte Struktur, die auch in der Herstellung aufwendig ist; außerdem steigt dann der Flächenanteil der zwischen den Ele­ mentarthyristoren vorhandenen Gate-Elektrode, so daß der An­ teil der für den Stromschluß verfügbaren Fläche abnimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halblei­ ter-GTO-Thyristor anzugeben, bei der auch bei Ausfall einzel­ ner Bereiche in Folge von Defekten der Anteil der zum Strom­ fluß beitragenden Fläche an der Gesamtfläche der Thyristoran­ ordnung möglichst hoch ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kenn­ zeichenteil des Anspruchs 1 angegeben. Die danach vorgesehene Unterteilung der Elementarthyristoren in einzelne nahe benach­ barte Segmentbereiche ohne dazwischen liegende Teile der Gate- Elektrode gestattet es, die Elementarthyristoren insgesamt großflächig zu gestalten, so daß ihr Flächenanteil gegenüber der von der Gate-Elektrode belegten Fläche groß ist, gleich­ zeitig aber in jedem Elementarthyristor diejenigen einzelnen Segmentbereiche zu eliminieren, die Defekte aufweisen. Die ferner vorhandene hochdotierte vergrabene Schicht bewirkt da­ bei eine Verringerung des Widerstandes der Kathoden-Basis­ schicht in Querrichtung, so daß der erheblichen Ausdeh­ nung des Elementarthyristors dessen gesamter Strom mittels der die Kathoden-Basisschicht kontaktierenden Gate-Elektrode in der erforderlichen Weise steuerbar bleibt.
Die Tatsache, daß zwischen den einzelnen Segmenten jedes Elementarthyristors keine Gate-Elektrode vorhanden ist, ergibt außer einer günstigeren Flächenausnutzung auch einen in der Herstellung einfacheren Aufbau.
Aus EP 01 74 438 A1 ist es zwar für sich bekannt, in einem GTO-Thyristor eine hochdotierte vergrabene Schicht vor­ zusehen, um die Eigenschaften des Thyristors zu verbessern. Eine Vergrößerung der Gesamtausdehnung von in einzelne Segmen­ te unterteilten Elementarthyristoren ist aber dort nicht ange­ sprochen.
Aus der prioritätsälteren EP 01 90 585 A1 ist ferner eine GTO-Thyristor-Anord­ nung mit in Segmente unterteilten Kathoden-Emitterbereichen bekannt. Abgesehen davon, daß die Unterteilung dort aus einem anderen Grund erfolgt, vermag diese nur gemäß § 3 PatG zu be­ rücksichtigende Druckschrift die Erfindung nicht vorweg zu nehmen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1A eine Aufsicht auf die Kathodenfläche eines GTO- Elementarthyristors einer ersten Ausführungsform;
Fig. 1B einen vertikalen Querschnitt längs der Linie IB-IB in der Fig. 1A;
Fig. 2A eine Aufsicht auf ein Kathodenmuster eines tatsäch­ lichen GTO-Thyristors, in dem die Elementarthyri­ storen der Fig. 1A und 1B angeordnet sind;
Fig. 2B einen vertikalen Querschnitt längs der Linie IIB-IIB in der Fig. 2A; und die
Fig. 3 und 4 vertikale Querschnitte entsprechender Elementarthyristoren weiterer Ausführungsformen.
Eine Ausführungsform des GTO-Thyristors wird nun anhand der Fig. 1A, 1B, 2A und 2B beschrieben.
Die Fig. 1A und 1B zeigen einen Teil des Oberflächen­ musters bzw. einen Teil des Querschnitts eines Elementar­ thyristors in einem erfindungsgemäßen GTO-Thyristor. Ein Halbleitersubstrat 1 weist eine Emitterschicht 2 des p-Typs an der Anodenseite (im folgenden als Anoden- Emitterschicht bezeichnet), eine Basisschicht 3 des n-Typs an der Anodenseite (als n-Basisschicht bezeichnet), eine Basisschicht 4 des p-Typs an der Kathodenseite (als p-Basis­ schicht bezeichnet) und eine Emitterschicht 5 des n-Typs an der Kathodenseite (als Kathoden-Emitterschicht bezeichnet) auf.
Das Halbleitersubstrat 1 besteht aus einer Siliziumscheibe von 500 µm Dicke. Die n-Basisschicht 3 hat im Aus­ führungsbeispiel eine Störstellenkonzentration in der Größen­ ordnung von 1013 bis 1015 cm-3 und eine Dicke von 200 bis 300 µm. Die Störstellenkonzentration der p-Basisschicht 4 ist in der Größenordnung von 1015 bis 1017 cm-3, die Ober­ flächen-Störstellenkonzentration der Anoden-Emitterschicht 2 ist nicht kleiner als 1018 cm-3, und die Oberflächen-Stör­ stellenkonzentration der Kathoden-Emitterschicht 5 ist in der Größenordnung von 1020 bis 1021 cm-3. Die Dicke der n-Basisschicht 3 ist einer der Hauptfaktoren, die die Durchbruchspannung bestimmen.
Die Kathoden-Emitterschicht 5 ist in drei Segmentbereiche aufgeteilt, die erste bis dritte Emitterbereiche 5 A bis 5 C in der p-Basisschicht 4 einschließen. Jeder Segment-Emitter­ bereich ist von rechteckiger Gestalt, die aneinander an­ grenzenden Rechtecke sind im wesentlichen parallel zuein­ ander angeordnet. Jedes Rechteck hat Abmessungen mit einer in der Darstellung der Fig. 1A vertikalen Länge von etwa 3 mm und einer horizontalen Breite von etwa 3 bis 9 mm. Diese Abmessungen können entsprechend der Form eines vergrabenen Gatebereiches, der weiter unten noch beschrieben wird, abge­ ändert sein. Die Abmessungen der jeweiligen Segment-Emitter­ bereiche im Elementarthyristor können untereinander ver­ schieden sein, vorzugsweise sind jedoch wenigstens ihre vertikalen Längen untereinander gleich.
Ein hochdotierter vergrabener Gatebereich 6 ist teilweise in der p-Basisschicht 4 unter der Kathoden-Emitterschicht 5 angeordnet. Der hochdotierte Gatebereich 6 wirkt als eigent­ liche Gate-Elektrode, die das Potential der p-Basisschicht 4 steuert. Vorzugsweise ist das Muster der vergrabenen Gatebe­ reiche bei allen Emitterbereichen 5 A, 5 B und 5 C gleich, und es sind vorzugsweise die vergrabenen Gatebereiche an Stellen G 1 und G 2 zwischen aneinander angrenzenden Emitterbereichen 5 A, 5 B und 5 C angeordnet. Die Fig. 1A und 1B zeigen den vergrabenen Gatebereich mit einem Muster in der Form eines parallelen Gitters, die Form des Musters ist jedoch keines­ wegs darauf beschränkt. Beispielsweise kann das Muster die Form eines Kreuzgitters, eines Geflechts, mehrerer Ringe und ähnlichem haben. Die Form des Emitterbereiches ist ebenfalls nicht auf die gezeigte Rechteckform beschränkt. Erforderlich ist nur, daß eine Anzahl von Emitterbereichen nahe zuein­ ander innerhalb des Elementarthyristors angeordnet ist und daß der vergrabene Gatebereich unter den Emitterbereichen elektrisch mit einer äußeren Gate-Elektrode mit niedrigem Kontaktwiderstand zur wirksamen Steuerung des Potentials des p-Basisbereichs verbunden ist. Der vergrabene Gatebereich kann durch Dotieren eines Oberflächenabschnittes des unteren Teiles der p-Basisschicht 4 mit p-Typ-Störstellen hoher Konzentration durch Diffusion, Ionenimplantation oder der­ gleichen und darauffolgendem epitaktischem Aufwachsen des oberen Teiles der p-Basisschicht 4 ausgebildet werden. Dann wird die Oberfläche der p-Basisschicht 4 selektiv mit einer n-Typ-Störstelle zur Bildung der Emitterbereiche 5 A, 5 B und 5 C dotiert. Die obere Oberfläche der vergrabenen Schicht 6 befindet sich im vorliegenden Beispiel in einer Tiefe von etwa 30 µm von der Oberfläche der Thyristortablette. Die Störstellenkonzen­ tration der vergrabenen Schicht 6 ist um eine oder mehrere Größenordnungen höher gewählt als die der p-Basisschicht 4 und beträgt im Beispiel etwa 1018 cm-3. Am Umfang des Ele­ mentarthyristors ist der obere Teil der p-Basisschicht 4 zur Freilegung des vergrabenen Gatebereiches 6 weggeätzt. Im Ergebnis ist der Elementarthyristor als Mesa-Abschnitt aus­ gebildet, wie es in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist. Die Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 ist mit Ausnahme der Fensterbereiche für Elektroden mit einer Passivierungs­ schicht 11 aus zum Beispiel Oxid oder Polyimid abgedeckt.
Eine Anodenelektrode 7, Kathodenelektroden 8 A bis 8 C und eine Gate-Elektrode 9 sind durch Aufdampfen oder dergleichen auf den Oberflächen der Anoden-Emitterschicht 2, der Katho­ den-Emitterschichten 5 A bis 5 C und der p-Basisschicht 4 in ohmschen Kontakt mit niedrigem Widerstand ausgebildet. Als Material für diese Elektroden kann Aluminium (Al) oder eine Aluminium-Silizium-Legierung (Al/Si) verwendet werden. Obwohl gezeigt ist, daß die Anodenelektrode 7 nur die Anoden-Emitterschicht 2 kontaktiert, kann auch eine Anodenstruktur mit Emitter-Kurzschlüssen verwendet werden, bei der die n-Basisschicht 3 an der unteren Oberfläche des Halb­ leitersubstrates 1 freiliegt und elektrisch mit der Anoden­ elektrode 7 verbunden ist.
Die Kathodenelektrode ist in Segmente 8 A, 8 B und 8 C ent­ sprechend den Segment-Kathoden-Emitterbereichen 5 A, 5 B und 5 C aufgeteilt. Durch "Trimmen" oder Entfernen eines der Kathoden-Elektrodensegmente kann der entsprechende Katho­ den-Emitterbereich ausgesondert werden.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen GTO-Thyri­ stors ist es, daß die Kathoden-Emitterschicht innerhalb des Elementarthyristors, der von der Gate-Elektrode 9 um­ schlossen wird, in eine Anzahl von Segment-Emitterbereiche 5 A, 5 B und 5 C aufgeteilt ist und daß die ohmschen Elektroden 8 A, 8 B und 8 C jeweils in Kontakt mit den Segment-Emitterbe­ reichen 5 A , 5 B und 5 C stehen. Da zwischen den Emitterbe­ reichen 5 A, 5 B und 5 C innerhalb des Elementarthyristors keine Gate-Elektrode vorhanden ist, können die Segment-Emit­ terbereiche nahe beieinander angeordnet werden. Da unter den Segment-Emitterbereichen der vergrabene Gatebereich 6 vor­ gesehen ist, kann der Strom effektiv gesteuert werden. Um ein Steuersignal wirksam an den vergrabenen Gatebereich 6 anlegen zu können, ist der vergrabene Gatebereich 6 an einem Umfangsabschnitt des Elementarthyristors freigelegt und die Gate-Elektrode 9 ist an dem freigelegten Abschnitt des ver­ grabenen Gatebereiches 6 angeordnet. Das heißt, daß ein Mesa-Abschnitt, den die Gate-Elektrode 9 umschließt, den Elementarthyristor bildet.
Die Fig. 2A und 2B zeigen ein konkretes Beispiel für die Anordnung einer Anzahl von Elementarthyristoren der in den Fig. 1A und 1B gezeigten Art bei einem GTO-Hochstrom­ thyristor. In den Fig. 2A und 2B bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen wie in den Fig. 1A und 1B gleiche oder ähnliche Komponenten.
Die Kathoden-Emitterschicht 5 ist in dieser Ausführungsform als konzentrierter Dreifachring im Halbleitersubstrat 1 bzw. einer Thyristortablette ausgebildet. Die Gate-Elek­ trode 9 umfaßt einen Zentralabschnitt 9 C, acht Arme 9-1 bis 9-8, die sich in radialer Richtung erstrecken, und konzen­ trische kreisförmige Abschnitte 9 A-1, 9 A-2 und 9 A-3. Der von zwei benachbarten Armen und zwei benachbarten kreisförmigen Abschnitten (einschließlich des zentralen Abschnittes) der Gate-Elektrode 9 umschlossene Teil der Thyristortablette bildet einen Elementarthyristor. Jeder Ring der Kathoden- Emitterschicht 5 ist durch die Arme 9-1 bis 9-8 der Gate- Elektrode 9 in acht Teile aufgeteilt, so daß sich (je Ring) acht Elementarthyristoren ergeben, die jeweils von der Gate-Elektrode 9 umschlossen sind. Jeder der von der Gate- Elektrode 9 umschlossenen Elementarthyristoren weist bei­ spielsweise vier Emitterbereiche 8 A bis 8 D auf. Einige der Elementarthyristoren können auch einen Aufbau haben, bei dem ein Emitterbereich nur einen einzigen Elementarthyristor einschließt.
Obwohl die Fig. 2B einen Zwei-Höhen-Schrägkantenaufbau zeigt, kann jeder andere Aufbau in Übereinstimmung mit den Erfordernissen an die Durchbruchspannung usw. angewendet werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Gate-Elek­ trodenplatte 19 in einen Kontakt mit niedrigem Widerstand (oder Druckkontakt) mit dem zentralen kreisförmigen Ab­ schnitt 9 C der Gate-Elektrode 9 im zentralen Abschnitt der Thyristortablette gebracht, um jedem Elementarthyristor äußere Signale zuzuführen, die den GTO-Thyristor ein- oder ausschalten.
Bei dem GTO-Thyristor mit diesem Aufbau werden zwei Elek­ trodenplatten 17 und 18, die eine Verbindung mit äußeren Anschlüssen herstellen, in Druckkontakt mit den Anoden- und Kathodenelektroden 7 und 8 gebracht, so daß die Elementarthyristoren parallel be­ trieben werden. Die Verbindung mit den äußeren Anschlüssen kann auch durch Löten, Schweißen oder dergleichen anstelle des Druckkontaktes erfolgen. Die Nenn­ werte des damit erhaltenen GTO-Thyristors weisen im vorliegenden Bei­ spiel eine Durchbruchsspannung von 4500 V und einen maxi­ malen Abschaltstrom von 3500 A auf.
Mit dem beschriebenen GTO-Thyristor wird folgendes erreicht:
Da die Kathoden-Emitterschicht 5 im Elementarthyristor, der von der Gate-Elektrode 9 umschlossen ist, in eine Anzahl Bereiche aufgeteilt ist, kann das Belegungsverhältnis der Fläche der Gate-Elektrode 9 auf dem gesamten Halbleiter­ substrat 1 im Vergleich zu einem einzigen Kathoden-Emitter­ bereich in einem Elementarthyristor klein gemacht werden, wodurch das Belegungsverhältnis der Fläche der Kathoden­ elektrode 8 entsprechend vergrößert werden kann. Als Ergeb­ nis ist der Druck pro Flächeneinheit der Kathodenelektrode, wenn die Elektrodenplatten von entgegengesetzten Seiten des Halbleitersubstrates in Druckontakt damit gebracht werden, verringert, wodurch ein Zerdrücken des Elektrodenmaterials (das zum Beispiel aus Aluminium besteht) verhindert werden kann. Entsprechend ist die Zuverlässigkeit und die Lebens­ dauer des GTO-Thyristors merklich erhöht.
Darüber hinaus verringert die Aufteilung der Kathoden-Emit­ terschicht im Elementarthyristor die Kathoden-Elektroden­ fläche pro Defekt. Die Verringerung der Arbeitsfläche des Halbleitersubstrates aufgrund des Aussonderns der defekten Kathoden-Emitterschicht ist so minimal. Damit kann ein GTO-Hochstromthyristor mit einer hohen Ausbeute hergestellt werden, wobei dessen Leistungsfähigkeit beibehalten wird.
Die Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors. In der Fig. 3 be­ zeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1B ähnliche Komponenten. Die Ausführungsform der Fig. 3 unter­ scheidet sich von der Fig. 1B darin, daß in der Fig. 1B ein Emit­ ter-Übergang in der sogenannten Planarstruktur und in der Fig. 3 ein Emitter-Übergang J 3 in der sogenannten Mesa-Struk­ tur verwendet werden. Auch im Falle der Anwendung einer solchen Mesa-Struktur kann die Kathoden-Emitterschicht 5 in dem von der Gate-Elektrode 9 umschlossenen Elementarthyristor in eine Anzahl von Bereichen aufgeteilt werden. Auch in diesem Falle treten kaum Kurzschlüsse auf, auch wenn feine Löcher in der Passivierungsschicht vorhanden sind und die Kathoden­ elektrode zerdrückt wird. Vorzugsweise wird jedoch der in der Fig. 1B gezeigte Aufbau verwendet, wenn die Gefahr besteht, daß Brüche an den Stellen der Höhenunterschiede auftreten.
Die Fig. 4 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors. In der Fig. 4 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1B ähnliche Komponenten. Die Ausführungsform der Fig. 4 unter­ scheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1B durch die Stelle, an der die Gate-Elektrode 9 in Kontakt (mit niedri­ gem Widerstand) mit der p-Basisschicht 4 steht. Bei der Ausführungsform der Fig. 1B ist der Kontakt an einer Stelle ausgeführt, die von der Hauptoberfläche des Halbleitersub­ strates 1 um eine Höhenlage abgesenkt ist, während bei der Ausführungsform der Fig. 4 dieser an der Hauptoberfläche auf der gleichen Höhe wie die Kathodenelektrode 8 ausge­ bildet ist. Die Ausführungsform der Fig. 4 hat daher den Vorteil, daß kein Ätzprozeß zur Ausbildung einer Vertiefung zur Herstellung des Gate-Elektrodenkontaktes vorzunehmen ist. Es ist jedoch erforderlich, einen tiefen hochdotierten Bereich 6 C herzustellen, der den vergrabenen Gatebereich 6 erreicht.
Die Ausführungsformen der Fig. 1B, 3 und 4 stimmen darin überein, daß unter einem Zwischenabschnitt zwischen den aneinander angrenzenden Segment-Emitterbereichen ein Element des vergrabenen Gatebereiches vorgesehen ist, um im wesent­ lichen den Betrieb der einzelnen Segment-Emitterbereiche zu vergleichmäßigen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß durch Vergrößerung der leitenden Fläche in dem Halbleitersubstrat eines GTO-Leistungsthyristors zur Verringerung der Druck­ belastung pro Flächeneinheit, die durch Anlegen von Druck von entgegengesetzten Seiten des Halbleitersubstrates auf die Kathodenelektrode ausgeübt wird, ein sehr zuverlässiger GTO-Hochstromthyristor verwirklicht werden kann, wodurch das technische Problem gelöst wird, das sich aus dem möglichen Zusammendrücken des Elektrodenmaterials bei den herkömm­ lichen GTO-Thyristoren ergibt und Schwierigkeiten durch Kurzschlüsse zwischen dem Gate und der Kathode, fehlerhaftes Abschalten des Stroms und eine Bauteilzerstörung zur Folge haben kann.
Obwohl das Ausmaß oder die Fläche jedes von der Gate-Elek­ trode umschlossenen Elementarthyristors groß ist, erlaubt die Aufteilung des Kathodenemitters und der Kathodenelek­ trode im Elementarthyristor in eine Anzahl von Segmenten das Aussondern einer defekten Kathoden-Emitterschicht in Ein­ heiten der Segmente. Entsprechend ist die Verringerung der wirksamen Arbeitsfläche des Halbleitersubstrates minimal und es wird eine hohe Herstellungsausbeute erreicht.

Claims (5)

1. Halbleiter-GTO-Thyristor mit einer Anzahl von in einem Halbleitersubstrat (1) ausgebildeten Elementarthyristoren, deren jeder umfaßt
eine Anoden-Emitterschicht (2), eine Anoden-Basisschicht (3), eine Kathoden-Basisschicht (4) und eine Kathoden-Emitter­ schicht (5), wobei diese Schichten (2 . . . 5) unter Bildung von pn-Übergängen aufeinander angeordnet sind,
eine Anoden-Elektrode (7) in ohmschem Kontakt mit der Anoden-Emitterschicht (2) und
eine Kathoden-Elektrode (8) in ohmschem Kontakt mit der Kathoden-Emitterschicht (5),
wobei die Kathoden-Emitterschichten (5) der Elementarthy­ ristoren von einer mit der Kathoden-Basisschicht (4) in ohm­ schem Kontakt stehenden Gate-Elektrode (9) umschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß in jedem Elementarthyristor die Kathoden-Emitter­ schicht (5) mit der darauf angeordneten Kathoden-Elektrode (8) in eine Anzahl von nahe benachbarten Segmentbereichen (5 A, 8 A; 5 B, 8 B; 5 C, 8 C) ohne dazwischen liegende Teile der Gate-Elek­ trode unterteilt ist, und
daß in der Kathoden-Basisschicht (4) eine hochdotierte vergrabene Schicht (6) angeordnet ist, die mit niedrigem Kontaktwiderstand mit der Gate-Elektrode (9) verbunden ist.
2. Halbleiter-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte vergrabene Schicht (6) in im wesentlichen der gleichen Konfiguration wie die Segment-Kathoden-Emitterbereiche (5 A, 5 B, 5 C) in jedem Elementarthyristor angeordnet ist.
3. Halbleiter-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Elementarthyristoren in der Form eines Mehrfachringes auf dem Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind.
4. Halbleiter-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segment-Kathoden-Emitterbereiche (5 A, 5 B, 5 C) in jedem Elementarthyristor rechteckförmig sind und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
5. Halbleiter-GTO-Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte vergrabene Schicht (6) in jedem Elementarthyristor in der Form eines parallelen Gitters angeordnet ist.
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