DE4020626A1

DE4020626A1 - Mos-steuerthyristor

Info

Publication number: DE4020626A1
Application number: DE4020626A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Iwamuro
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1991-01-10
Also published as: JPH0334372A; US5122854A; JP2551152B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen MOS-Steuer thyristor, der als Leistungsschaltelement benutzt wird, spe zieller auf einen MOS-Steuerthyristor, der verläßlich abge schaltet werden kann und der weniger anfällig ist für Lawi nendurchbruch, wenn er abgeschaltet wird unter solchen Bedin gungen, daß der Thyristor mit einer induktiven Last verbunden ist.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein Gate-Abschalt-Thyristor (im weiteren als "GTO" (Gate Turn-off Transistor) bezeichnet) ist weit verbreitet als eine Art von Thyristoren, die abgeschaltet werden können. Da der GTO jedoch ein sogenanntes stromgesteuertes Element ist, benötigt er relativ viel Gate-Treiberstrom etc. Um diese Probleme zu lösen, wurde ein MOS-Gate-Thyristor entwickelt, bei dem das Gate spannungstreibergesteuert ist. Dieser hat einen Aufbau, in dem ein Bipolartransistor mit einer breiten Basis von einem MOS-Gate betrieben wird, und ist ähnlich einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (im weiteren bezeichnet als "IGBT" (Insulated Gate type Bipolar Transistor)) in seiner Struktur.

Der Unterschied zwischen dem MOS-Gate-Thyristor und dem IGBT besteht darin, daß, während das Einrasten (latching) des in neren parasitären Thyristors im IGBT verhindert wird, das Ein rasten des inneren parasitären Thyristors im MOS-Gate-Thyri stor jedoch geschieht. Wenn der MOS-Gate-Thyristor abgeschal tet wird, ist es dementsprechend notwendig, nicht nur die Gate-Spannung, sondern auch die Anodenspannung in ihrer Pola rität umzukehren.

In den letzten Jahren wurde ein MOS-Steuerthyristor (MCT = MOS Control Thyristor) entwickelt, der das MOS-Gate sowohl zum Anschalten als auch zum Ausschalten benutzt. Bei diesem Aufbau sind MOSFETs zum Anschalten und zum Ausschalten im p⁻n- p⁻ n-Thyristor angebracht. Im besonderen wird auf einem ersten Bereich eines ersten Leitfähigkeitstyps (z. B. n-Type), die eine hohe Störstellenkonzentration und einen niedrigen spezifischen Widerstand hat, ein zweiter Bereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps (z. B. p-Type) gebildet, der einen hohen spezifischen Widerstand hat. Dann wird ein dritter Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps auf der Oberfläche dieses zweiten Bereichs wahlweise gebildet. Des weiteren wird ein vierter Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der Oberfläche des dritten Bereichs wahlweise gebildet. Und letztlich wird ein fünfter Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps und ein sechster Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps auf der Oberfläche des vierten Bereichs gebildet. Und die Gate-Elektrode 8 wird gebildet durch Gate-Isolationsschichten 7 auf dem Kanalbereich, der definiert ist als der Oberflächenbereich zwischen dem zweiten Bereich des dritten und des vierten Bereichs bzw. als ein Oberflächenbereich zwischen dem vierten Bereich des dritten und des sechsten Bereichs. Des weiteren ist eine Kathodenelektrode 9 derart gebildet, daß sie in Kontakt steht mit dem fünften und dem sechsten Bereich, und eine Anodenelektrode 10 ist gebildet auf der Oberfläche des ersten Bereichs.

Dieses Element arbeitet mit der Kathodenelektrode geerdet und mit Spannungen an die Gate-Elektroden 8 und die Anodenelektro de 10 angelegt. Angenommen zum Beispiel, daß der erste Leitfä higkeitstyp n-Type ist und der zweite Leitfähigkeitstyp p-Ty pe, dann wird ein P-Kanal gebildet zwischen dem vierten Be reich der p-Schicht und dem zweiten Bereich der p⁻-Schicht, wenn eine negative Spannung an die Gate-Elektroden 8 angelegt ist, um anzuschalten.

Wenn die negative Spannung an die Anodenelektrode 10 angelegt ist, fließen dabei Löcher, die im p-Kanal gebildet werden, vom p-Kanal in die Anode und schalten den n⁺/p⁻Übergang (junction) zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich an. Dabei entsteht ein Elektronenfluß von der n⁺-Schicht des ersten Bereichs in die p⁻-Schicht des zweiten Bereichs. Die Elektronen wandern durch die p⁻ -Schicht des zweiten Bereichs und die n-Schicht des dritten Bereichs und schalten den n/p⁺-Übergang zwischen dem dritten Bereich und dem fünften Bereich an. Dadurch entsteht eine Zuführung (injection) von Löchern vom fünften Bereich und diese schaltet den npnp-Thyristor an.

Aus dem obigen ergibt sich, daß die Leitfähigkeit im zweiten und dritten Bereich moduliert wird und der Widerstandswert beim Anschalten niedrig wird.

Wenn es abschaltet und positive Spannung an die Gate-Elektrode 8 angelegt ist, wird ein n-Kanal gebildet auf dem Oberflächen bereich, definiert zwischen der n-Schicht des vierten Bereichs und der n⁺-Schicht des sechsten Bereichs. Dadurch hat der dritte Bereich und der fünfte Bereich das gleiche Potential niveau. Entsprechend fließen Elektronen, die von dem ersten Bereich zugeführt werden, selbst wenn sie den n/p⁺-Übergang zwischen dem ersten Bereich und dem fünften Bereich erreichen, hinaus zu der Kathode durch den gebildeten n-Kanal. Dabei wird der Abschaltvorgang vollendet, ohne daß eine Zuführung von Löchern von der fünften Region auftritt.

In dem vorgenannten MOS-Steuerthyristor sind der dritte Bereich und der fünfte Bereich im Grunde genommen auf dem gleichen Potentialniveau, wenn das Element abgeschaltet ist. jedoch erscheint tatsächlich eine sehr kleine Potentialdifferenz ΔV zwischen dem dritten Bereich und dem fünften Bereich, weil ein Strom in dem n-Kanal und dem dritten Bereich fließt. Wenn dieses ΔV größer ist als die Diffusionspotentialdifferenz zwischen dem dritten Bereich und dem fünften Bereich, ist es unmöglich, einen Abschaltvorgang durchzuführen, da der Übergang zwischen dem dritten Bereich und der fünften Bereich das Element anschaltet.

Des weiteren ist, wenn das Element abschaltet unter solchen Bedingungen, daß eine induktive Last (L-Last) damit verbunden ist, eine Spannung angelegt an dem Übergang zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich als eine umgekehrte Vorspannung infolge der elektromotorischen Gegenkraft zur induktiven Last. Dadurch entsteht ein starkes elektrisches Feld an dem vorgenannten Übergang. Im Falle, daß der erste Leitfähigkeitstyp n-Type ist und der zweite Leitfähigkeitstyp p-Type, wird darüber hinaus der Hauptstrom davon ein Elektronenstrom, da der npn-Transistor, der aus ersten, zweiten und dritten Bereichen zusammengesetzt ist, weiterhin einen konstanten Strom fließen läßt.

Allgemein gesprochen ist das Aufprallionisierungsverhältnis von Elektronen, wenn ein starkes elektrisches Feld (mehr als 10⁵ V/cm) angelegt ist, 100 bis 1000mal größer als das von Löchern und es hat dadurch den Nachteil, daß mit Lawinendurch bruch gerechnet werden muß.

Zusammenfassung der Erfindung.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Probleme zu lösen, und dabei einen MOS-Steuerthyristor zu erhalten, welcher verläßlich abgeschaltet werden kann und welcher weniger anfällig ist für Lawinendurchbruch.

Der MOS-Steuerthyristor entsprechend der vorliegenden Erfin dung umfaßt: einen ersten Bereich eines ersten Leitfähigkeits typs, welcher stark dotiert ist mit einer hohen Störstellen konzentration; einen zweiten Bereich eines zweiten Leitfähig keitstyps, welcher vorgesehen ist auf dem ersten Bereich und schwach dotiert ist mit einer niedrigen Störstellen konzentration; einen dritten Bereich des ersten Leitfähig keitstyps, welcher selektiv auf der Oberfläche des zweiten Bereichs gebildet wird; einen vierten Bereich des zweiten Leitfähigkeittyps, welcher selektiv auf der Oberfläche des dritten Bereichs gebildet wird; einen fünften Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, welcher selektiv so gebildet wird, daß er den vierten Bereich durchdringen kann in den dritten Bereich; und einen sechsten Bereich des ersten Leitfähig keitstyps, welcher selektiv so gebildet wird, daß er mit dem fünften Bereich in Kontakt stehen kann, dadurch gekenn zeichnet, daß im besonderen die Dosismenge in dem dritten Bereich im Bereich von 1×10¹³ cm^-2 bis 7×10⁻ cm ist.

Dadurch, daß die Störstellendosis innerhalb eines Bereichs von 1×10¹³ cm^-2 bis 7×10¹⁴ cm^-2 ist, wird der Widerstandswert des dritten Bereichs verringert und die Potentialdifferenz verkleinert, die am Übergang zwischen dem dritten und dem fünften Bereich entsteht. Und der spezifische Widerstand des zweiten Bereichs ist auf einen hohen Widerstandswert über 250 Ω cm eingestellt, um die Stärke des elektrischen Felds zu schwächen, das am Übergang zwischen dem zweiten und dem dritten Bereich entsteht, wenn es unter solchen Bedingungen abgeschaltet wird, daß eine induktive Last damit verbunden ist.

Das oben Genannte und andere Ziele, Wirkungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen davon, zusammen mit begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist ein Schnitt, der ein Ausführungsbeispiel eines MOS- Steuerthyristors entsprechend der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Abschaltzeit und dem Schwellenwert, wenn die Dosismenge der n-Schicht verän dert wird im Ausführungsbeispiel der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Abschaltdurchbruchs spannung V_AKX und dem spezifischen Widerstand der p⁻-Schicht im Ausführungsbeispiel von Fig. 1.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.

Im weiteren wird eine detaillierte Erklärung der Ausführungs beispiele gegeben mit Bezug auf beigefügte Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Schnitt, der ein Ausführungsbeispiel eines MOS- Steuerthyristors entsprechend der Erfindung zeigt. Zuerst wird eine p⁻ -Schicht 2 gebildet auf der Oberfläche der n⁺-Schicht 1, was ein Substrat aufbaut. Als nächstes wird Gate-Schicht 7 wahlweise gebildet auf der p⁻-Schicht 2. Des weiteren wird Gate-Elektrode 8 gebildet auf der Gate-Oxidschicht 7, dann wird Ioneneinpflanzung durchgeführt, um n-Schicht 3 zu bilden, wobei die Gate-Elektrode 8 als Maske benutzt wird. Nachdem die n-Schicht 3 durch Ionenimplantation gebildet wurde, werden nacheinander p-Schicht 4, p⁺-Schicht 5 und n⁺-Schicht 6 ge bildet in der gleichen Art wie oben, durch Einpflanzungsme thode und thermische Diffusionsmethode. Mit einer im folgenden gebildeten Isolationsschicht 11 ist der Steuerthyristor kom plett.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Abschaltzeit und dem Schwellenwert bezüglich der Störstellendosismenge der n-Schicht 3 innerhalb des MOS-Steuerthyristors aus Fig. 1. Wie die Zeichnung zeigt, ändert sich die Abschaltzeit nicht sehr im Bereich oberhalb 1×10¹³ cm^-2 in der Dosis der n-Schicht 3. Im Gegensatz dazu ist im Bereich der Dosis von weniger als 1×10¹³ cm^-2 der Abschaltvorgang selbst unmöglich, da eine Zuführung von Löchern von der p⁺-Schicht auftritt, was am Ende zum Durchbruch führt. Andererseits wird der Gate-Schwellenwert beim Abschalten zu groß, wenn die Dosis zu sehr vergrößert wird. Wenn die Dosis zum Beispiel größer als 7× 10¹⁴ cm^-2 wird, ist der Gate-Schwellenwert 10 V und ist ungeeignet für den praktischen Gebrauch.

Aus dem Obigen ist offensichtlich, daß die Dosis im Bereich von 1×10¹³ cm^-2 bis 7×10¹⁴ cm^-2 liegen muß, wenn man berücksichtigt, daß kein Durchbruch auftritt und der Gate-Schwellenwert innerhalb des praktischen Niveaus liegt, vorzugsweise zwischen 3×10¹³cm^-2 bis 5×10¹⁴ cm^-2.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Abschaltdurchbruchs spannung V_AKX und dem spezifischen Widerstand der p⁻ -Schicht innerhalb des MOS-Steuerthyristors von Fig. 1 beim Abschalten unter der Bedingung, daß eine induktive Last verbunden ist. Darüber hinaus ist die Dosis der n-Schicht 7×10¹³ cm^-2 und konstant zu dieser Zeit.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß je höher der spezifische Wi derstand der p⁻ -Schicht 2 ist, desto größer ist die Durch bruchspannung V_AKX und desto geringer ist die Möglichkeit eines Lawinendurchbruchs. Zum Beispiel ist die Bedingung für einen Durchbruch, wenn V_AKX 1000 V beträgt und I-300 A, dann ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß der spezifische Widerstand größer als 250 Ω cm ist. Darüber hinaus ist es in der obigen Erklärung offensichtlich, daß die gleiche Beweisführung durch geführt werden kann, wenn n-Type durch p-Type ersetzt wird.

Die Erfindung wurde im Detail beschrieben mit Bezug auf bevor zugte Ausführungsbeispiele, und es wird nun aus dem Vorherge henden für den Fachmann offensichtlich sein, daß Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von der Erfin dung im weiteren Sinne abzuweichen, und die Erfindung in den beigefügten Ansprüchen soll daher alle solche Veränderungen und Modifikationen abdecken, die in den wahren Geist der Erfindung fallen.

Claims

Ein MOS-Steuerthyristor, der folgendes aufweist:
einen ersten Bereich eines ersten Leitfähigkeitsttyps, welcher stark dotiert ist mit hoher Störstellenkonzentration;
einen zweiten Bereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welcher auf dem ersten Gebiet vorgesehen ist und schwach dotiert ist mit einer niedrigen Störstellenkonzentration;
einen dritten Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps, welcher wahlweise auf der Oberfläche des zweiten Gebiets gebildet wird;
einen vierten Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, welcher wahlweise auf der Oberfläche des dritten Gebiets gebildet wird;
einen fünften Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, welcher wahlweise derart gebildet wird, daß er durch den vierten Bereich in den dritten Bereich vordringt; und
einen sechsten Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps, welcher wahlweise derart gebildet wird, daß er in Kontakt steht mit dem fünften Bereich, wobei er dadurch gekennzeichnet ist, daß im besonderen die Dosismenge in dem dritten Bereich im Bereich von 1×10¹³cm^-2 bis 7×10¹⁴ cm^-2 liegt.