DE4038093C2

DE4038093C2 - Isolierschicht-GTO-Thyristor

Info

Publication number: DE4038093C2
Application number: DE4038093A
Authority: DE
Inventors: Takashi Shinohe; Masaki Atsuta; Akio Nakagawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2010-11-30
Also published as: JP2839595B2; JPH03171773A; US5210432A; DE4038093A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Isolierschicht-GTO-Thyristor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 13. Ein derartiger Isolierschicht-GTO-Thyristor ist beispielsweise aus der EP 0 280 536 A2 bekannt.

Fig. 16 veranschaulicht in Schnittansicht einen bishe rigen Isolierschicht-GTO-Thyristor der in Fig. 7 von US-PS 46 04 638 oder in der genannten EP 0 280 536 A2 dargestellten Art. Dieser Isolier schicht-IG-GTO-Thyristor oder IG-GTO-Thyristor weist einen pnpn-Aufbau aus einer p⁺-Emitterschicht 1, einer n⁺-Puffer schicht 2, einer n-Basisschicht 3, einer p-Basisschicht 4 und einer n⁺-Emitterschicht 5 auf. Auf der Oberfläche der p⁺-Emitterschicht 1 ist eine Anodenelektrode 7 erzeugt, während auf der Oberfläche der n⁺-Emitterschicht 5 eine Kathodenelektrode 8 ausgebildet ist. In der p-Basisschicht 4 ist eine p⁺-Schicht 6 ausgebildet, auf deren Oberfläche eine erste Gateelektrode 9 geformt ist. Eine zweite Gateelektrode 11 ist auf der Oberfläche der p-Basisschicht 4 zwischen der n-Basisschicht 3 und der n⁺-Emitterschicht 5 unter Isolierung durch einen Gateisolierfilm 10 ausgebildet.

Eine Durchschaltoperation des IG-GTO-Thyristors ist nachstehend beschrieben. Wenn der Thyristor durchschal ten soll, wird eine in bezug auf die Kathodenelektrode 8 positive Spannung an erste und zweite Gateelektrode 9 bzw. 11 angelegt. Dabei entsteht im Oberflächenbereich der p-Basisschicht 4 unmittelbar unter dem Gateisolierfilm 10 eine Inversionsschicht unter Bildung eines Kanals, über den Elektronen aus der n⁺-Emitterschicht 5 in die n-Basisschicht 3 injiziert werden. Wenn die in die n-Basisschicht 3 injizierten Elektronen die p⁺- Emitterschicht 1 erreichen, werden aus letzterer Löcher (Elektronenmangelstellen) zur n-Basisschicht 3 injiziert. Die Löcher werden in der n⁺-Emitterschicht 5 über die p-Basisschicht 4 gesammelt. Als Ergebnis wer den Elektronen unmittelbar von der n⁺-Emitterschicht 5 zur p-Basisschicht 4 injiziert, wodurch der Thyristor durchgeschaltet wird.

Wenn der Thyristor sperren oder abgeschaltet werden soll, wird eine in bezug auf die Kathodenelektrode ne gative Spannung an erste und zweite Gateelektrode 9 bzw. 11 angelegt. Da hierbei die Kanäle verlorengehen und eine Sperrspannung an den p-n-Übergang zwi schen der n⁺-Emitterschicht 5 und der p-Basisschicht 4 angelegt wird, werden in den p- und n-Ba sisschichten 3 bzw. 4 gespeicherte Löcher zur Gateelektrode 9 abgeführt und damit der Thyristor zum Sperren gebracht oder abgeschaltet.

Zur Verbesserung der Abschalt- oder Sperrfähigkeit des beschriebenen IG-GTO-Thyristors muß die Größe eines in einer Abschaltoperation der ersten Gate elektrode 9 entzogenen Basisstroms erhöht werden. Als eine der Möglichkeiten zur Vergrö ßerung des Basisstroms unter der Annahme, daß der Schichtwiderstand der p-Basisschicht 4 mit ρs und die Durchbruchspannung des durch die n-Emitterschicht 5 und die p-Basisschicht 4 gebildeten Emitterübergangs mit Vj vorgegeben sind, wird die Größe von Vj/ρs erhöht.

Die Durchbruchspannung Vj des Emitterübergangs bestimmt sich durch die kleinste Durchbruchspannung unter den drei Durchbruchspannungen an mit den Buchsta ben a, b und c bezeichneten Punkten. Von diesen Durch bruchspannungen bestimmt sich die Durchbruchspannung am Punkt a durch eine Fremdatom-Konzentrationsverteilung auf der Oberfläche der p-Basisschicht 4 des Kanalab schnitts und eine Konzentrationsverteilung auf der Oberfläche der n⁺-Emitterschicht 5. Zur Erhöhung dieser Durchbruchspannungen werden grundsätzlich die Konzen trationen der n⁺-Emitterschicht 5 und der p-Basis schicht 4 erhöht. Die n⁺-Emitterschicht 5 muß jedoch, um als Emitter wirken zu können, eine hohe Konzentra tion aufweisen, weshalb die n⁺-Emitterschicht 5 keine niedrige Konzentration aufweisen kann.

Da andererseits die p-Basisschicht 4 als Kanal am Punkt a wirkt, muß ihre Konzentration konstantge halten werden, um einen optimalen Schwellenwert beizu behalten. Aus diesem Grund kann die Konzentration der p-Basisschicht 4 nicht beliebig geän dert werden. Mit einer Erhöhung der Fremdatom-Konzentration in der p-Basisschicht 4 wird zudem ihr Schichtwiderstand ρs herabgesetzt. Daher besitzt die p-Basisschicht 4 bevor zugt eine hohe Fremdatom-Konzentration, um die Abschaltfähigkeit zu verbessern. Aus dem angegebenen Grund kann aber ihre Fremdatom- Konzentration nicht geändert werden.

Wie erwähnt, können beim IG-GTO-Thyristor die Fremdatom-Konzen trationen in der n⁺-Emitterschicht 5 und in der p-Basis schicht 4 nicht beliebig eingestellt werden. Aus diesem Grund kann die Größe von Vj/ρs nicht erhöht werden, so daß eine hohe Abschaltfähig keit schwierig zu erreichen ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Isolierschicht- GTO-Thyristor zu schaffen, bei dem die Größe des Verhältnisses von Durchbruchspannung Vj zu Schichtwiderstand ρs ohne Beeinträchtigung anderer Charakteristika zur Verbesserung der Abschaltfähigkeit erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Thyristor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 13 gelöst.

Wenn die Fremdatomkonzentration des unmittelbar unter der zweiten Hauptelektrode befindlichen Abschnitts der zweiten Emitterschicht auf die gleiche Größe wie bei einem bisherigen Thyristor ein gestellt ist, erhöht sich die Durchbruch spannung des pn-Übergangs zwischen der zweiten Emitterschicht und der zweiten Basisschicht unter Er höhung der Größe von Vj/ρs. Infolgedessen kann die Abschaltfähigkeit des IG-GTO-Thyristors wirksam erhöht, d. h. verbessert werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Darstellung der Auslegung eines Haupt teils eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1B einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1A durch den IG-GTO-Thyristor,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Er findung,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer dritten Ausführungsform der Er findung,

Fig. 4 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer vierten Ausführungsform der Er findung,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer fünften Ausführungsform der Er findung,

Fig. 6 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer siebten Ausführungsform der Er findung,

Fig. 8 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer achten Ausführungsform der Er findung,

Fig. 9 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer neunten Ausführungsform der Er findung,

Fig. 10 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer zehnten Ausführungsform der Er findung,

Fig. 11 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer elften Ausführungsform der Er findung,

Fig. 12 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 13 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 14 eine Schnittansicht eines IG-GTO-Thyristors gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 15A bis 15I Schnittansichten zur Verdeutlichung von Herstellungsschritten bei der Fertigung eines IG-GTO-Thyristors gemäß der Erfindung und

Fig. 16 eine Schnittansicht eines bisherigen IG- GTO-Thyristors.

Fig. 16 ist eingangs bereits erläutert worden.

Ein Isolierschicht-GTO-Thyristor (IG-GTO-Thyristor) gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist gemäß den Fig. 1A und 1B einen pnpn-Aufbau aus einer p-Emitterschicht 1, einer n-Pufferschicht 2, einer n-Basisschicht 3, einer p-Basis schicht 4 und einer n-Emitterschicht 5 auf. Die p-Basisschicht 4 ist in Streifenform selektiv in der Oberfläche der n-Basisschicht 3 ausgebildet, und die n-Emitterschicht 5 ist selektiv in der Oberfläche der p-Basisschicht erzeugt. Bei dieser Ausführungsform um faßt die n-Emitterschicht 5 eine erste n-Schicht (n⁺- Schicht) 5 ₁ einer hohen Fremdatom-Konzentration unter einer Kathodenelektrode 8 und eine zweite, eine niedri ge Fremdatom-Konzentration aufweisende n-Schicht (n⁻-Schicht) 5 ₂, welche einen Kanalbereich 12 kontaktiert, unter einer zweiten Gateelektrode 11. Auf der Oberfläche der p-Emit terschicht 1 ist eine Anodenelektrode 7 geformt. Auf der Oberfläche der n-Emitterschicht 5 ist eine Katho denelektrode 8 ausgebildet. Auf der Oberfläche der p- Basisschicht 4 ist eine erste Gate-Elektrode 9 erzeugt. Die zweite Gateelektrode 11 ist auf der Oberfläche der p-Basisschicht 4 zwischen der n-Basisschicht 3 und der n-Emitterschicht 5 unter Isolierung durch einen Gate isolierfilm 10 vorgesehen. In der p-Basisschicht 4 ist eine hochdotierte p⁺-Schicht 6 geformt, und die erste Gateelektrode 9 ist mit der p⁺-Schicht 6 in Kon takt stehend ausgebildet.

Die Arbeitsweise des IG-GTO-Thyristors gemäß dieser Ausführungsform ist die gleiche wie bei einem herkömm lichen IG-GTO-Thyristor gemäß Fig. 16. Genauer gesagt: eine in bezug auf die Kathodenelektrode 8 positive Spannung wird zur Durchführung einer Durchschaltope ration an erste und zweite Gateelektrode 9 bzw. 11 angelegt, während zur Durchführung einer Abschaltope ration eine in bezug auf die Kathodenelektrode 8 ne gative Spannung an erste und zweite Gateelektrode 9 bzw. 11 angelegt wird.

Beim IG-GTO-Thyristor gemäß dieser Ausführungsform ist ein den Kanalbereich 12 kontaktierender Teil der n- Emitterschicht 5 durch die n⁻-Schicht 5 ₂ gebildet. Bei dieser Ausführungsform ist die Emitterübergang-Durch bruchspannung des den Kanalbereich kontaktierenden Teils gegenüber einer herkömmlichen Anordnung mit einer niedrigen Durchbruchspannung erhöht. Während somit die p-Ba sisschicht 4 des Kanalbereichs 12 auf einer Konzentra tion zur Erzielung eines einwandfreien Schwellenwerts gehalten ist, kann die Emitterübergangs-Durchbruchspan nung Vj erhöht sein oder werden. Da infolgedessen die Größe von Vj/ρs erhöht ist, kann die Abschaltfähigkeit verbessert sein. Außerdem ist dabei die n⁻-Schicht 5 ₂ flach ausgebildet, und die Kanallänge kann zweckmäßig gewählt sein. Da die n⁺-Schicht 5 ₁ tief ausgebildet ist, kann damit ein Thyristor eines hohen Injektionswirkungsgrads und einer niedrigen Durchschaltspannung erhalten werden.

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Elementaufbau eines IG- GTO-Thyristors gemäß einer zweiten Ausführungsform. Da bei ist die n⁻-Schicht 5 nicht nur an einer, den Ka nalbereich 12 kontaktierenden Seite, sondern auch an einer gegenüberliegenden Seite, d. h. der Seite der ersten Gateelektrode 9 ausgebildet. Praktisch gesehen ist die n⁻-Schicht 5 ₂ durch Diffusion in einer weiten Fläche, einschließlich einer Fläche der n⁺-Schicht 5 ₁ ausgebildet.

Da bei dieser beschriebenen Anordnung eine Emitterüber gang-Durchbruchspannung Vj auch an der Seite der er sten Gateelektrode erhöht sein kann, wird die Abschalt fähigkeit effektiv weiter verbessert.

Fig. 3 zeigt im Schnitt einen Elementaufbau eines IG- GTO-Thyristors gemäß einer dritten Ausführungsform. Da bei besteht die p-Basisschicht 4 aus zwei p-Schichten, die in verschiedenen Stufen geformt worden sind. Die erste p-Schicht 4 ₁ wird für die Erzielung einer Thyri storoperation benötigt. Die zweite p-Schicht 4 ₂ besitzt eine solche vorbestimmte Fremdatomkonzentration, daß sie den Kanalbereich 12 bildet. Die Emitterschicht 5 besteht aus drei n-Schichten 5 ₁, 5 ₂ und 5 ₃. Die erste n-Schicht 5 ₁ ist tief ausgebildet und wird zur Erzie lung einer Thyristoroperation benötigt. Die zur Bestim mung der Kanallänge des Kanalbereichs 12 mit der er sten n-Schicht 5 ₁ verbundene zweite n-Schicht 5 ₂ weist eine niedrige Fremdatomkonzentration auf. Die dritte n-Schicht 5 ₃ ist tief ausgebildet und umschließt die erste n-Schicht 5 ₁. Da die zweite p-Schicht 4 ₂ tief ist, kann der Emitterübergang eine höhere Durchbruch spannung als bei der ersten Ausführungsform aufweisen. Aufgrund der Anordnung der dritten n-Schicht 5 ₃ kann weiterhin der Emitterübergang im Thyristorteil eine höhere Durchbruchspannung als bei der ersten Ausfüh rungsform aufweisen.

Fig. 4 zeigt in Schnittansicht einen IG-GTO-Thyristor gemäß einer vierten Ausfüh rungsform. Dabei sind in der p-Basisschicht 4 bei der Anordnung nach Fig. 2 eine für Thyristoroperation er forderliche tiefe erste p-Schicht 4 ₁ und eine eine vor bestimmte, für die Bildung des Kanalbereichs 12 er forderliche Konzentration besitzende, flache zweite p-Schicht 4 ₂ in verschiedenen Fertigungsstufen ausge bildet worden. Ebenso umfaßt die n-Emitterschicht 5 eine für die Thyristoroperation erforderliche tiefe erste n-Schicht 5 ₁ und eine flache zweite n-Schicht 5 ₂, die zur Bestimmung der Länge des Kanalbereichs 12 mit der ersten n-Schicht 5 ₁ verbunden ist. Insbesondere sind dabei die p-Schicht 4 ₂ und die n-Schicht 5 ₂ mit Selbstjustierung durch Fremdatomdiffusion unter Ver wendung der zweiten Gateelektrode 11 als Maske mit einer sog. DSA-Struktur ausgebildet. Hierbei besitzen die erste n-Schicht 5 ₁ eine Tiefe von 1-3 µm bei einer Dosis von 5×10¹⁵/cm² und die zweite n-Schicht 5 ₂ eine Tiefe von etwa 0,2-1 µm bei einer Dosis von 1×10¹⁵ bis 2×10¹⁵/cm². Die Oberflächenkonzentra tion der ersten n-Emitterschicht 5 ₁ kann dabei niedri ger sein als diejenige der zweiten n-Emitterschicht 5 ₂.

Bei dieser Ausführungsform kann der Tiefen- oder Late ralwiderstand der p-Basisschicht 4 ₁ an einem Thyristor abschnitt unabhängig von der p-Basisschicht 4 ₂ im Ab schnitt des Kanalbereichs 12 optimiert sein. Mit anderen Worten: die Konzentration oder die Kanal länge der p-Basisschicht 4 ₂ im Abschnitt des Kanalbe reichs 12 kann unabhängig von derjenigen der p-Basis schicht 4 ₁ am Thyristorabschnitt optimal eingestellt werden.

Fig. 5 zeigt im Schnitt einen IG- GTO-Thyristor gemäß einer fünften Ausführungsform. Da bei ist auf der Grundlage der Struktur nach Fig. 1 die n⁻-Schicht 5 ₂ mit einer größeren Tiefe als derje nigen der n⁺-Schicht 5 ₁ ausgebildet.

Bei dieser Anordnung ist die Fremdatom-Konzentration in der p- Basisschicht 4 nahe eines flachen Übergangsabschnitts der n⁻-Schicht 5 ₂ verringert. Dadurch ist die Emitter übergang-Durchbruchspannung am flachen Übergangsab schnitt erhöht. Da ein Überlappungsabschnitt zwischen der n⁻-Schicht 5 ₂ und der n⁺-Schicht 5 ₁ in der n- Basisschicht 4 in einem tiefen Bereich geformt ist, kann die Abschaltfähigkeit weiter verbes sert sein.

Fig. 6 zeigt im Schnitt einen IG- GTO-Thyristor gemäß einer sechsten Ausführungsform, bei welcher die n⁺-Schicht 5 ₁ innerhalb der n⁻- Schicht 5 ₂ geformt ist. Da bei dieser Ausgestaltung keinerlei Übergang zwischen der n⁺-Schicht 5 ₁ und der p-Basisschicht 4 gebildet ist, ist ein Emitterübergang lediglich ein Übergang zwischen der p-Basisschicht 4 und der n⁻-Schicht 5 ₂. Infolgedessen ist die Abschalt fähigkeit weiter verbessert.

Bei der in Fig. 7 im Schnitt dargestellten siebten Aus führungsform des IG-GTO-Thyristors ist eine eine hohe Konzentration aufweisende p⁺-Schicht 13 so ausgebildet, daß sie in einem unteren Abschnitt der p-Basisschicht 4 des IG-GTO-Thyristors gemäß der zweiten Ausführungsform vergraben ist. Eine unmittelbar unter einer ersten Gateelektrode 9 befindliche p⁺-Schicht 6 ist durch Dif fusion so tief ausgebildet, daß sie mit der in einem unteren Abschnitt der p-Basisschicht 4 vergrabenen p⁺- Schicht 13 in Kontakt steht.

Bei dieser Ausbildung kann der Schichtwiderstand ρs der p-Basisschicht 4 ohne Änderung der Fremdatom-Konzentration des Kanalbereichs 12 beträchtlich verringert sein. Dies bedeutet, daß der Schichtwiderstand ρs zur Er höhung der Größe von Vj/ρs verringert ist und die Ab schaltfähigkeit weiter verbessert sein kann. Da weiterhin die p⁺-Schicht 6 mit der eingegra benen p⁺-Schicht 13 in Kontakt steht, ist der Widerstand der Basisstromentziehung klein.

Fig. 8 zeigt im Schnitt einen IG- GTO-Thyristor gemäß einer achten Ausführungsform, bei welcher ein Übergangsabschnitt 14 zwischen der p- Basisschicht 4 und der n-Basisschicht 3 unter Ver wendung der eingegrabenen p⁺-Schicht 13 (Fig. 7) un mittelbar unter der n-Emitterschicht 5 als Matrixmuster geformt ist.

Selbst wenn bei dieser Anordnung die Fremdatom-Konzentration der p⁺-Schicht 13 höher eingestellt ist als bei der siebten Ausführungsform, fließt ein Anodenstrom im Abschnitt 14. Dadurch kann eine Erhöhung der Durchschaltspannung unterdrückt werden. Da hierbei weiterhin die gleiche Wirkung erzielt wird, wie sie mit einer Verringerung des Schichtwiderstands ρs der p-Basisschicht 4 er reicht wird, kann eine bessere Abschalt fähigkeit erreicht werden.

Die Fig. 9 bis 12 veranschaulichen in Schnittansicht den jeweiligen Aufbau von IG-GTO-Thyristoren ge mäß neunten bis zwölften Ausführungsformen. Diese Aus führungsformen werden durch Abwandlung von erster, zweiter, fünfter bzw. achter Ausführungsform erhalten.

Bei neunter, zehnter und elfter Ausführungsform ist je weils die siebte Ausführungsform mit erster, zweiter bzw. fünfter Ausführungsform kombiniert, um Grund strukturen zu erhalten. Neben dieser Grundstruktur ist jeder Abschnitt der p-Basisschicht 4 durch eine p- Schicht 4 ₂, auf der der Kanalbereich 12 geformt ist, und eine p-Schicht 4 ₁, deren Konzentration niedriger ist als diejenige der p-Schicht 4 ₂ ausgebildet.

Bei jeder dieser Ausgestaltungen nach den Fig. 9 bis 12 stehen die n⁺-Schicht 5 ₁ und die n⁻-Schicht 5 ₂ mit, Ausnahme eines den Kanalbereich 12 kontaktierenden Ab schnitts, mit der p⁻-Schicht 4 ₁ einer niedrigen Konzen tration in Kontakt. Die Emitterdurchbruchspannung Vj ist dabei weiter erhöht.

Fig. 13 zeigt im Schnitt einen IG- GTO-Thyristor gemäß einer dreizehnten Ausführungsform, bei welcher die n⁺-Schicht 5 ₁ durch Diffusion in die n-Emitterschicht 5 nur in einem die Kathodenelektrode 8 kontaktierenden Bereich unter Verwendung einer n⁻- Schicht 5 ₂ als epitaxiale Aufwachsschicht ausgebildet ist. Eine potentialfreie bzw. freischwebende n⁺-Diffu sionsschicht 15 ist im Zentrum der p-Basisschicht 4 ausgebildet, und der Kanalbereich 12 ist durch die n⁺- Diffusionsschicht 15 in Kanalbereiche 12 ₁ und 12 ₂ un terteilt. Auf diesen Kanalbereichen 12 ₁ und 12 ₂ sind zwei geteilte zweite Gateelektroden 11-1 und 11-2 unter Isolierung durch einen Gateisolierfilm 10 geformt. Wenn der gesamte, durch Diffusion ausgebildete Oberflächenabschnitt der p⁻-Basisschicht 4 als Kanalbe reich 12 benutzt wird, ist die Kanallänge zu groß. Wenn der Kanalbereich, wie oben beschrieben, durch die frei schwebende Diffusionsschicht 15 unterteilt ist, kann ein ziemlich kurzer Kanal erhalten werden. Dadurch kann eine hohe Abschaltfähigkeit er zielt werden. Außerdem können bei der beschriebenen An ordnung die beiden Kanalbereiche 12 ₁ und 12 ₂ ohne wei teres zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder mit ver schiedenen Zeit-Takten betrie ben werden.

Durch das Betreiben oder Ansteuern der Kanalbereiche 12 ₁ und 12 ₂ zu verschiedenen Zeitpunkten ergeben sich zwei Vorteile: 1. Der GTO-Thyristor hat einen hohen Vj-Wert. 2. Der GTO-Thyristor zeigt eine hohe Abschaltfähigkeit, wenn er im sog. "IGBT-Modus" arbei tet.

Insbesondere wird der zweite Kanalbereich 12 ₂ elimi niert, worauf an die erste Gateelektrode 9 eine Span nung angelegt wird, die gegenüber der an der Kathoden elektrode 8 anliegenden Spannung negativ ist. Danach wird der erste Kanalbereich 12 ₁ eliminiert, wobei im gleichen Augenblick die freischwebende Schicht 15 elektrisch von der n-Emitterschicht 5 ge trennt wird. Wenn dabei die negative Spannung an die erste Gateelektrode 9 angelegt wird, breitet sich die Verarmungsschicht innerhalb der niedrigkonzentrierten n-Emitterschicht 5 ₂ aus, wodurch die Spannung Vj erheb lich erhöht wird.

Auch wenn der Kanalbereich 12 ₂ eliminiert wird, entsteht im Kanalbereich 12 ₁ ein Kanal, wel cher die freischwebende Schicht 15 mit der n-Basis schicht verbindet. Elektronen aus der n-Emitterschicht 5 gelangen damit durch die p-Basisschicht niedriger Konzentration und werden über die freischwebende Schicht 15 und den Kanalbereich 12 ₁ in die n-Basis schicht 3 injiziert. Zwischenzeitlich werden Löcher über die p-Schicht 13 hoher Konzentration zur ersten Gatelektrode 9, an wel cher die negative Spannung anliegt, entleert oder ent laden. Dabei fließt der größte Teil des Stroms in die n-Emitterschicht 5 ₁. Die unterhalb dieser Schicht 5 ₁ vorhandenen Löcher werden zur ersten Gate elektrode 9 entleert. Als Ergebnis wird der GTO-Thyri stor im IGBT-Modus abgeschaltet, wobei er eine hohe Ab schaltfähigkeit besitzt.

Die oben beschriebene Gateanordnung kann auch auf die Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 12 angewandt wer den, um dadurch die Abschaltfähigkeit zu verbessern.

Fig. 14 zeigt in Schnittansicht den Aufbau einer vierzehnten Ausführungsform, bei welcher die Erfindung auf einen V-MOS-Gate-GTO-Thyristor angewandt ist. Dabei sind die p⁻-Basisschicht 4 und die n⁻-Schicht 5 ₂ nach einem Epitaxie-Aufwachsverfahren hergestellt. Im epi taxialen Plättchen ist eine V-förmige Rille ausgebil det, in welcher der Kanalbereich 12 geformt ist. Mit dieser Ausführungsform kann ein Kanalwiderstand unter der zweiten Gatelektrode ausreichend verringert wer den. Die V-förmige Rille kann durch eine U-förmige Ril le oder einen anderen "Graben" ersetzt werden.

Die Fig. 15A bis 15I veranschaulichen in Schnittan sicht die Verfahrensschritte bei der Herstellung eines IG-GTO-Thyristors gemäß der Erfindung. Gemäß Fig. 15A werden wie bei der Herstellung eines herkömmlichen MOS-Gate-GTO-Thyristors eine n⁺-Puffer schicht 2 und eine p⁺-Emitterschicht 1 nacheinander auf einer n⁻-Basisschicht 3 geformt.

Dabei besitzt die n⁺-Pufferschicht 2 eine durchschnitt liche Fremdatom-Konzentration von 1×10¹⁴/cm³ oder mehr und eine Dicke von 10 µm oder mehr. Daher wird eine Verarmungsschicht daran gehindert, die p⁺-Emitter schicht 1 zu erreichen. Außerdem kann die Dicke der n⁻-Basisschicht 3 auf 2/3 verringert werden, um die Durchschaltspannung des Thyristors zu verringern, ohne eine Vorwärts- bzw. Durchlaßsperrspannung zu vermin dern.

Gemäß Fig. 15B wird in der Oberfläche der n⁻-Basis schicht 3 eine erste Rille 17 ausgebildet. Gemäß Fig. 15C wird ein Teil der ersten Rille 17 und der Ober fläche der n^--Basisschicht 3 durch eine p⁺-Schicht 13 überbrückt.

Gemäß Fig. 15D wird eine p⁻-Basisschicht 4 einen die p⁺-Schicht 13 nicht aufweisenden Bereich der ersten Rille 17 und die Oberfläche der n⁻-Basisschicht 3 über brückend ausgebildet. Eine n⁻-Schicht 5 ₂ wird nach einem Aufwachsverfahren o. dgl. geformt, und die erste Rille 17 wird aufgefüllt (vgl. Fig. 15E).

Nach der Erzeugung einer die p⁺-Schicht 13 erreichenden p⁻-Schicht 16 in der n⁻-Schicht 5 ₂ gemäß Fig. 15F wird eine die p⁻-Schicht 16 bedeckende n⁺-Schicht 5 ₁ er zeugt (vgl. Fig. 15G). Dabei ist die p⁻-Schicht 16 so ausgebildet, daß dann, wenn der Thyristor durchgeschal tet werden soll, zahlreiche Elektronen aus der n⁺- Schicht 5 injiziert werden.

Gemäß Fig. 15H wird dann eine zweite Rille 18 so ausge bildet, daß ein an der Seitenfläche oder Flanke der er sten Rille 17 geformter Abschnitt der p⁻-Basisschicht 4 freigelegt wird. Schließlich werden gemäß Fig. 15I eine Anodenelektrode 7, eine Kathodenelektrode 8, eine erste Gateelektrode 9, ein Gateisolierfilm 10 und die zweite Gateelektrode 11 sequentiell geformt, worauf der IG- GTO-Thyristor fertiggestellt ist.

Wie vorstehend beschrieben, kann die Abschaltfähigkeit des Thyristors beträchtlich verbessert sein, weil eine Emitterübergang-Durch bruchspannung ohne Herabsetzung der Fremdatom-Konzentration einer Basisschicht eines ersten Leitungstyps erhöht sein kann. Infolgedessen kann dadurch ein Isolier schicht- oder IG-GTO-Thyristor realisiert werden, der in Abhängigkeit vom gleichen IC-Ausgangssignal wie bei einem herkömmlichen Thyristor in einem Durchschaltvor gang, in welchem er eine hohe Spannung empfängt, die in einem Abschaltvorgang nicht an ein herkömmliches Ele ment angelegt werden kann, durchschaltbar und mit hoher Geschwindigkeit abschaltbar ist. Bei den beschriebenen Ausführungsformen können der p-Typ und der n-Typ je weils gegeneinander vertauscht sein.

Claims

1. Isolier-GTO-Thyristor, umfassend

- eine erste Emitterschicht (1) eines ersten Leitungstyps,
- eine die erste Emitterschicht (1) kontaktierende erste Basisschicht (3) des zweiten Leitungstyps,
- eine in der Oberfläche der ersten Basisschicht (3) ausgebildete zweite Basisschicht (4) des ersten Leitungstyps,
- eine zweite Emitterschicht (5) des zweiten Leitungstyps in der Oberfläche der zweiten Basisschicht, wobei ein Kanalbereich (12) zwischen der ersten Basisschicht (3) und der zweiten Emitterschicht (5) in der zweiten Basisschicht (4) gebildet wird,
- eine mit der ersten Emitterschicht (1) verbundene erste Hauptelektrode (7),
- eine mit der zweiten Emitterschicht (5) verbundene zweite Hauptelektrode (8),
- eine auf der zweiten Basisschicht (4) ausgebildete erste Gateelektrode (9) und
- eine isoliert über dem Kanalbereich (12) angeordnete zweite Gateelektrode (11),
dadurch gekennzeichnet, daß
- die zweite Emitterschicht (5) eine unmittelbar unter der zweiten Hauptelektrode (8) ausgebildete erste fremdatomdotierte Schicht (5₁) und eine die erste fremdatomdotierte Schicht (5₁) und den Kanalbereich (12) teilweise überlappende zweite fremdatomdotierte Schicht (5₂), die eine niedrigere Fremdatom-Konzentration als die erste fremdatomdotierte Schicht (5₁) besitzt, aufweist.

2. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite fremdatomdotierte Schicht (5₂) mit geringerer Tiefe als die erste fremdatomdotierte Schicht (5₁) ausgebildet ist.

3. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite fremdatomdotierte Schicht (5₂) in der Fläche größer als die erste fremdatomdotierte Schicht (5₁) ausgebildet ist (Fig. 2).

4. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite fremdatomdotierte Schicht (5₂) mit größerer Tiefe als die erste fremdatomdotierte Schicht (5₁) ausgebildet ist (Fig. 5 und 6).

5. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basisschicht eine fremdatomdotierte Halbleiterschicht (4₁), die so angeordnet ist, daß sie darin die zweite Emitterschicht (5) enthält und den Kanalbereich (12) ausschließt, und eine weitere fremdatomdotierte Schicht (4₂), die so angeordnet ist, daß sie darin die zweite Emitterschicht (5) und den Kanalbereich enthält, aufweist (Fig. 3).

6. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basisschicht (4) eine fremdatomdotierte Halbleiterschicht (4), die so angeordnet ist, daß sie darin die zweite Emitterschicht (5₁, 5₂) und den Kanalbereich (12) enthält, und eine weitere fremdatomdotierte Halbleiterschicht (13), die eine Fremdatom-Konzentration hat, die höher ist als diejenige der fremdatomdotierten Halbleiterschicht, und die in einem Bodenabschnitt der fremdatomdotierten Halbleiterschicht (4) ausgebildet ist, aufweist (Fig. 7).

7. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere fremdatomdotierte Halbleiterschicht ein Matrixmuster unter der ersten Hauptelektrode aufweist (Fig. 8).

8. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basisschicht (4) eine erste fremdatomdotierte Halbleiterschicht (4₁), die darin die zweite Emitterschicht (5) enthält, eine zweite fremdatomdotierte Halbleiterschicht (4₂), die eine Fremdatom-Konzentration hat, die höher ist als diejenige der ersten fremdatomdotierten Halbleiterschicht, in einem Bereich zum Bilden des Kanalbereiches und eine dritte fremdatomdotierte Halbleiterschicht (13), die in einem Bodenabschnitt der ersten und zweiten fremdatomdotierten Halbleiterschicht ausgebildet ist, aufweist (Fig. 9).

9. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Emitterschicht (5) eine epitaxiale Schicht (5₂) und eine fremdatomdotierte Schicht (5₁), die in einem begrenzten Bereich der epitaxialen Schicht zum Bilden der zweiten Hauptelektrode angeordnet ist, aufweist, und daß die zweite Basisschicht eine erste fremdatomdotierte Unterschicht (13), die zwischen der epitaxialen Schicht (5₂) und der ersten Basisschicht vergraben is, und eine zweite fremdatomdotierte Schicht (4), die in seitlichem Kontakt mit der epitaxialen Schicht und ausreichend tief ist, um die erste fremdatomdotierte Schicht zu erreichen, aufweist (Fig. 13).

10. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine schwebende Schicht (15) des zweiten Leitungstyps in der zweiten fremdatomdotierten Schicht der zweiten Basisschicht angeordnet ist, wodurch beabstandete Oberflächenteile (12₁, 12₂) der zweiten fremdatomdotierten Schicht (4) als Kanalbereiche festgelegt werden, und daß die zweite Gateelektrode in Elektrodenabschnitte (11-1, 11-2) geteilt ist, welche die Kanalbereiche überlagern (Fig. 13).

11. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die einen der Kanalbereiche, der neben der zweiten Emitterschicht angeordnet ist, abschalten läßt und die die erste Gateelektrode mit einer Spannung negativer Polarität bezüglich derjenigen der zweiten Hauptelektrode versorgt, so daß der andere Kanalbereich, der neben der ersten Basisschicht angeordnet ist, dann abschaltet.

12. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basisschicht (4) und die zweite fremdatomdotierte Schicht (5₂) der zweiten Emitterschicht einen Graben eines "V"- oder "U"-Profils mit Seitenwänden haben, auf denen der Kanalbereich (12) und die zweite Gateelektrode (11) gebildet sind (Fig. 14).

13. Isolierschicht-GTO-Thyristor, umfassend

- eine erste Emitterschicht (1) eines ersten Leitungstyps,
- eine die erste Emitterschicht (1) berührende erste Basisschicht (3) des zweiten Leitungstyps,
- eine zweite Basisschicht (4) des ersten Leitungstyps in der Oberfläche der ersten Basisschicht (3),
- eine zweite Emitterschicht (5) des zweiten Leitungstyps in der Oberfläche der zweiten Basisschicht, wobei ein Kanalbereich (12) zwischen der ersten Basisschicht (3) und der zweiten Emitterschicht (5) in der zweiten Basisschicht (4) gebildet wird,
- eine erste Hauptelektrode (7), die in Kontakt mit der ersten Emitterschicht (1) ist,
- eine zweite Hauptelektrode (8), die in Kontakt mit der zweiten Emitterschicht (5) ist,
- eine erste Gateelektrode (9), die in Kontakt mit der zweiten Basisschicht (4) ist,
- ein dielektrischer Film auf dem Kanalbereich (12) und
- eine zweite Gateelektrode (11) auf dem dielektrischen Film,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die zweite Emitterschicht (5) eine erste fremdatomdotierte Schicht (5₁), die unmittelbar unter der zweiten Hauptelektrode (11) angeordnet ist, und eine fremdatomdotierte Schicht (5₂), die teilweise den Kanalbereich (12) und die erste fremdatomdotierte Schicht (5₁) an einem Teil der ersten fremdatomdotierten Schicht, die wenigstens den Kanalbereich berührt, überlappt, und die in der Tiefe kleiner ist als die erste fremdatomdotierte Schicht (5₁), aufweist.

14. Isolierschicht-GTO-Thyristor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basisschicht (4) eine fremdatomdotierte Halbleiterschicht (4₁) mit einer für einen Thyristorbetrieb erforderlichen Tiefe und eine weitere fremdatomdotierte Halbleiterschicht (4₂), die die erste fremdatomdotierte Schicht überlappt und eine Tiefe hat, die kleiner ist als diejenige der ersten fremdatomdotierten Schicht, aufweist, wobei die weitere fremdatomdotierte Halbleiterschicht einen als den Kanalbereich dienenden Oberflächenteil hat (Fig. 4).