DE4135412A1

DE4135412A1 - Mos-gesteuerter thyristor mct

Info

Publication number: DE4135412A1
Application number: DE19914135412
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dr Bauer
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-10-26
Filing date: 1991-10-26
Publication date: 1993-04-29

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft einen MOS-gesteuerten Thyristor MCT, umfassend

(a) ein Halbleitersubstrat mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, von denen die eine einer Anode zugeordnet ist, und die andere einer Kathode zugeordnet ist und eine Kathodenfläche bildet;
(b) innerhalb des Halbleitersubstrats zwischen der Anode und der Kathode eine Schichtenfolge mit einer Emit terschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, einer ersten Basisschicht von einem zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, und einer zwei ten Basisschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp;
(c) innerhalb des Halbleitersubstrats zwischen der Anode und der Kathode eine Vielzahl von nebeneinander an geordneten und parallel geschalteten MCT-Zellen;
(d) innerhalb jeder MCT-Zelle auf der Kathodenseite ein in die zweite Basisschicht eingelassenes Emitterge biet vom zweiten Leitfähigkeitstyp, welches von der Kathodenfläche her durch einen Kathodenkontakt kon taktiert ist; und
(e) innerhalb jeder MCT-Zelle auf der Kathodenseite eine MOS-Struktur mit einer über der Kathodenfläche iso liert angeordneten Gateelektrode, welche MOS-Struk tur einen schaltbaren Kurzschluß zwischen der zwei ten Basisschicht und dem Kathodenkontakt bildet;

Ein solcher MCT ist z. B. aus dem Artikel von V. A. K. Temple, IEEE Trans. Electron Devices, Vo. ED-33, S. 1609- 1618 (1986), bekannt.

Stand der Technik

Bei der Anwendung in leistungselektronischen Schaltungen, insbesondere bei drehzahlgesteuerten Motorantrieben, wä ren wichtige Systemvereinfachungen durchführbar, wenn bei den verwendeten Leistungshalbleitern die Stromsteuerung, wie man sie derzeit vom GTO her kennt, durch eine Span nungssteuerung ersetzt werden könnte. Dieser Übergang von Strom- zu Spannungssteuerung ist bei kleineren Lei stungen mit dem Ersatz der herkömmlichen Bipolartransi storen durch die neu entwickelten IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) bereits vollzogen worden.

Bei größeren Leistungen, die im wesentlichen den Thyri storen vorbehalten bleiben, sind seit längerer Zeit Be mühungen im Gange, durch die Entwicklung des spannungsge steuerten MCT (MOS Controlled Thyristor) den GTO in ent sprechender Weise abzulösen. Bisher sind diese Bemühungen jedoch nicht sehr erfolgreich verlaufen, weil großflä chige MCTs nach wie vor unter abträglichen inhomogenen Stromverteilungen - insbesondere während der Abschalt phase - leiden.

Dieses Phänomen reduziert bereits für Bauelemente mit Ka thodenflächen von nur einem mm² die abschaltbaren Strom dichten auf sehr niedrige Werte von etwa 50 A/cm². Im Ge gensatz dazu beobachtet man für Anordnungen von nur weni gen Zellen - ein großflächiger MCT besteht immer aus ei ner Vielzahl von einzelnen, kleinen MCT-Zellen; die Ka thodenfläche beträgt dann nur etwa 0,01 mm² - exzellente Abschaltstromdichten von mehreren 1000 A/cm².

In der älteren Deutschen Patentanmeldung P 41 27 033.9 vom 16.08.91 ist zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen worden, entweder die einzelnen MCT-Zellen durch nichte mittierende Zwischenräume von der gleichen linearen Di mension wie die MCT-Zelle voneinander zu trennen, oder die MCT-Zellen zunächst zu dicht-gepackten Zellenclustern bestimmter Größe zusammenzufassen, und dann die Zellencluster durch derartige nichtemittierende Zwischen räume zu trennen.

Der Nachteil dieser Lösungen liegt jedoch darin, daß mit den nichtemittierenden Zwischenräumen die zur Verfügung stehende Emitterfläche stark verringert und damit der ON- Widerstand des Bauelements vergrößert wird.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen MCT zu schaffen, bei dem die hohe Abschaltstromdichte der ein zelnen MCT-Zelle auch bei großflächigen Bauelementen mit einer Vielzahl von MCT-Zellen weitgehend erhalten bleibt, ohne das Durchlaßverhalten wesentlich zu verschlechtern.

Die Aufgabe wird bei einem MCT der eingangs genannten Art gemäß einer ersten Alternative dadurch gelöst, daß

(f) die einzelnen MCT-Zellen voneinander durch Zwischen räume getrennt sind, in welchen die zweite Basis schicht an die Kathodenfläche tritt;
(g) die lateralen, linearen Dimensionen der Zwischen räume mindestens von der gleichen Größenordnung sind, wie die lateralen, linearen Dimensionen der einzelnen MCT-Zelle selbst;
(h) in den Zwischenräumen von der Kathodenfläche her ei genständige Hilfsemittergebiete vom zweiten Leitfä higkeitstyp in die zweite Basisschicht eingelassen sind, welche Hilfsemittergebiete von den benachbar ten MCT-Zellen durch die an die Kathodenfläche tre tende zweite Basisschicht getrennt sind; und
(i) die Gateelektrode dort die an die Kathodenfläche tretende zweite Basisschicht überdeckt.

Gemäß einer zweiten Alternative wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß

(f) alle MCT-Zellen in einer Mehrzahl von MCT-Zellen- Clustern zusammengefaßt sind;
(g) jeder MCT-Zellen-Cluster aus einigen MCT-Zellen (MC) gebildet wird, die untereinander in unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet sind;
(h) die MCT-Zellen-Cluster voneinander durch Zwischen räume getrennt sind, in welchen die zweite Basis schicht an die Kathodenfläche tritt;
(i) die lateralen, linearen Dimensionen des Zwischen raums mindestens von der gleichen Größenordnung sind, wie die lateralen, linearen Dimensionen der einzelnen MCT-Zelle selbst; und
(k) in den Zwischenräumen von der Kathodenfläche her ei genständige Hilfsemittergebiete vom zweiten Leitfä higkeitstyp in die zweite Basisschicht eingelassen sind, welche Hilfsemittergebiete von den benachbar ten MCT-Zellen-Clustern durch die an die Kathoden fläche tretende zweite Basisschicht getrennt sind; und
(l) die Gateelektrode dort die an die Kathodenfläche tretende zweite Basisschicht überdeckt.

Der Kern der Erfindung besteht in beiden Fällen darin, entweder die einzelnen MCT-Zellen oder kleine Cluster von mehreren MCT-Zellen durch die Einführung von Zwischenräu men mit zusätzlichen Hilfsemittergebieten so weit vonein ander zu entkoppeln, daß die volle Abschaltfähigkeit der einzelnen Zelle auch bei einer Vielzahl von in einem Sub strat untergebrachten Zellen erhalten bleibt. Die Hilfse mittergebiete verhindern dabei durch ihre zusätzliche Emissionsfähigkeit weitgehend einen Verlust an Emitter fläche in den Zwischenräumen.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Er findung ist in den Zwischenräumen jeweils ein einziges, zusammenhängendes Hilfsemittergebiet angeordnet. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch ihren besonders ein fachen Aufbau aus.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Er findung sind in den Zwischenräumen jeweils mehrere nicht zusammenhängende und voneinander beabstandete Hilfsemit tergebiete angeordnet, zwischen denen die zweite Basis schicht an die Kathodenfläche tritt. Durch ein solches Aufteilen der Hilfsemittergebiete kann vorteilhafterweise Platz für die Integration weiterer Funktionen wie z. B. von Einschaltzellen gewonnen werden.

Dies führt insbesondere zu der Ausführungsform, bei wel cher

(a) zwischen den Hilfsemittergebieten nacheinander die zweite Basisschicht und die erste Basisschicht an die Kathodenfläche treten; und
(b) die Gateelektrode auch die zwischen den Hilfsemit tergebieten an die Kathodenfläche tretende zweite Basisschicht überdeckt und zusammen mit dieser, der angrenzenden ersten Basisschicht, und den angrenzen den Hilfsemittergebieten eine MOS-Struktur zum Ein schalten des Thyristors bildet.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1A-D verschiedene Kathoden-Konfigurationen und der innere Aufbau einer Einheitszelle eines MCT gemäß der älteren Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 41 27 033.9;

Fig. 2 in einem Diagramm den maximal abschaltbaren Anodenstrom I_A in Abhängigkeit von der Gatespan nung V_g für Teststrukturen mit Matrixanordnun gen (gemäß Fig. 1A) von 3 × 3, 6 × 6, 10 × 10, 12 × 12, 15 × 15 und 20 × 20 gleichartigen, quadratischen MCT-Zellen (Zellenbreite a = 15 µm) mit unterschiedlichem Zellenabstand b von 15 µm bis 100 µm;

Fig. 3 in einem Diagramm den aus Fig. 2 abgeleiteten Reduktionsfaktor r in Abhängigkeit vom Zellen abstand b der einzelnen MCT-Zellen;

Fig. 4 in einem Diagramm die statischen Vorwärtskenn linien I_A=f(V_f), V_f = Vorwärtsspannung, für die Teststrukturen aus Fig. 2;

Fig. 5 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Vor wärtsspannung V_f vom Zellenabstand b;

Fig. 6 ein erstes Ausführungsbeispiel eines MCT nach der Erfindung mit einem einfach zusammen hängenden Hilfsemittergebiet im Zwischenraum zwischen den MCT-Zellen;

Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel eines MCT nach der Erfindung mit einem in mehrere Teilgebiete aufgeteilten Hilfsemittergebiet im Zwischenraum zwischen den MCT-Zellen;

Fig. 8 ein aus Fig. 7 weiterentwickeltes Ausführungs beispiel, bei welchem innerhalb der Hilfsemit tergebiete eine Einschaltzelle integriert ist;

Fig. 9 ein mit Fig. 6 vergleichbares Ausführungsbei spiel, bei welchem zur Verringerung der Kapazi tät im Ansteuerkreis die Gateelektrodenfläche reduziert ist;

Fig. 10 ein mit Fig. 6 vergleichbares Ausführungsbei spiel, bei welchem zusätzlich auf der Anoden seite Anodenkurzschlüsse vorgesehen sind;

Fig. 11 ein mit Fig. 6 vergleichbares Ausführungsbei spiel, bei welchem die Gateelektroden mit einer eigenen Gatemetallisierung versehen und die Hilfsemittergebiete direkt unterhalb dieser Gatemetallisierung angeordnet sind;

Fig. 12 ein mit Fig. 6 vergleichbares Ausführungsbei spiel mit integrierter PIN-Diode im Zwischen raum;

Fig. 13A ein Ausführungsbeispiel des Bauelements nach der Erfindung mit streifenförmigem Hilfsemit tergebiet und quadratischen MCT-Zellen; und

Fig. 13B ein Ausführungsbeispiel des Bauelements nach der Erfindung mit streifenförmigem Hilfsemit tergebiet und streifenförmigen MCT-Zellen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In der bereits erwähnten älteren Deutschen Patentanmel dung mit Aktenzeichen P 41 27 033.9 desselben Erfinders sind bereits experimentelle Ergebnisse beschrieben wor den, die einerseits das Skalierungsproblem bei zellulär aufgebauten MCTs, d. h. die Degradation der Abschaltfähig keit mit zunehmender Größe der aktiven Bauelement-Flä che, deutlich machen, und andererseits auf Lösungsmög lichkeiten hinweisen. Die dort beschriebene Lösung beruht darauf, die einzelnen MCT-Zellen (MC in Fig. 1A, 1B und 1C) nicht - wie bei Leistungs-DMOSFETs und IGBTs üblich - mit maximaler Dichte anzuordnen, sondern zwischen den einzelnen MCT-Zellen oder kleineren MCT-Zellen-Clustern (MCC in Fig. 1C) einen recht großen Zellenabstand b in Form eines nichtemittierenden Zwischenraum 12 vorzusehen.

Die MCT-Zellen MC haben dabei eine Zellenbreite a und sind vorzugsweise entweder quadratisch (Fig. 1A) oder streifenförmig (Fig. 1B). Die einzelne Zelle hat bei spielsweise den in Fig. 1D gezeigten inneren Aufbau, bei welchem in einem Halbleitersubstrat 1 zwischen einer An ode A und einer Kathode K eine p⁺-dotierte Emitterschicht 10, eine n⁻-dotierte erste Basisschicht 9, eine p-do tierte zweite Basisschicht 8 und ein n⁺-dotiertes Emit tergebiet 7 angeordnet ist.

In das Emittergebiet 7 sind seitlich n-dotierte Kanalge biete 6, und in die Kanalgebiete 6 von der Kathodenfläche her p⁺-dotierte Kathodenkurzschlußgebiete 5 eingelassen. Über den Kanalgebieten 6 ist jeweils eine Gateelektrode 4 angeordnet, die vom Halbleitersubstrat 1 durch eine Gateisolierung 3 isoliert ist. Die Schichten 8, 9 und 10 sowie das Gebiet 7 bilden zusammen mit einem entsprechen den Kathodenkontakt 2 und Anodenkontakt 11 eine herkömm liche Vierschicht-Thyristorstruktur. Die Gebiete 5 und 6 sowie die Schicht 8 und die Gatelektrode 4 stellen einen MOS-gesteuerten Kurzschluß dar, mit dessen Hilfe der re generative Mechanismus des Thyristors unterbrochen werden kann.

Die in der älteren Anmeldung vorgeschlagene Vereinzelung der MCT-Zellen MC bzw. MCT-Zellen-Cluster MCC beruht auf den in Fig. 2 und 3 dargestellten experimentellen Ergeb nissen: Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des maximal abschaltbaren Anodenstroms I_A von der Gate spannung V_g. Als Parameter dient dabei der Zellenabstand b. Verglichen werden die Kurven für Anordnungen von MCT- Zellen gemäß Fig. 1A in einer Matrix mit (20 × 20) Zel len (b = 15 µm), einer Matrix mit (15 x 15) Zellen (b = 20 µm), einer Matrix mit (12 × 12) Zellen (b= 25 µm), ei ner Matrix mit (10 × 10) Zellen (b = µm), einer Matrix mit (5 × 5) Zellen (b = 50 µm), und einer Matrix mit (3 × 3) Zellen (b = 100 µm).

Führt man zur Auswertung dieser Ergebnisse einen auf eine Zelle normierten Reduktionsfaktor r ein, der angibt, in welchem Verhältnis die Abschaltfähigkeit einer MCT-Zelle einer Mehrzellenanordnung zur Abschaltfähigkeit einer isolierten einzelnen MCT-Zelle steht, ergibt sich der in Fig. 3 dargestellte Zusammenhang zwischen dem Reduktions faktor r und dem Zellenabstand b für zwei unterschiedli che Implantationsdosen (durchgezogen und gestrichelt) bei der Einbringung der Kanalgebiete 6. Fig. 3 verdeutlicht, daß bei Zellenabständen b ab etwa 50 µm die Leistungsfä higkeit der isolierten Einzelzelle erreicht wird.

Da in diesem Fall die Zwischenräume 12 zwischen den ein zelnen MCT-Zellen MC nichtemittierend ausgebildet sind, führt dies dazu, daß die zur Verfügung stehende katho denseitige Emitterfläche der Emittergebiete 7 im Verhält nis zur Gesamtfläche sehr klein wird und aus diesem Grund mit einer Vergrößerung des ON-Widerstandes gerechnet werden muß: In Fig. 4 sind die statischen Vorwärtskenn linien (Anodenstrom I_A über der Vorwärtsspannung V_f) für die Teststrukturen aus Fig. 2 wiedergegeben (100 mA ent sprechen einer Kathodenstromdichte von 110 A/cm²). Es wird klar, daß insbesondere bei Zellenabständen b von 100 µm die Vorwärtsspannung V_f um mehr als 0,5 V größer ist, als der entsprechende Wert für die dichtgepackten Strukturen. Dies zeigt auch die Fig. 5, in der die ent sprechende Abhängigkeit der Vorwärtsspannung V_f vom Zel lenabstand b bei I_A = 100 mA für die beiden bereits er wähnten Implantationsdosen aufgetragen ist.

Diese Erhöhung des ON-Widerstandes zieht natürlich dra stisch erhöhte statische Verluste nach sich. Desweiteren kann dieser Umstand auch Probleme im Hinblick auf die er forderliche Kurzschlußstromfestigkeit aufwerfen. Zur Lö sung dieser Probleme wird nun vorgeschlagen, in den Zwi schenräumen 12 zwischen den einzelnen MCT-Zellen katho denseitig einen Hilfsemitter anzuordnen, der nur im ein geschalteten Zustand eine Emitterfunktion ausübt, während des Abschaltvorgangs und der Blockierphase dagegen passiv ist.

Ein erstes, besonders einfaches Ausführungsbeispiel für ein solches Bauelement nach der Erfindung ist in Fig. 6 wiedergegeben: Zwischen benachbarten MCT-Zellen MC, die gemäß Fig. 1A und 1B entweder quadratisch oder streifen förmig sein, oder gemäß Fig. 1C jeweils zu einem MCT- Zellen-Cluster MCC gehören können, ist im Zwischenraum 12 von der Kathodenfläche her ein n⁺-dotiertes, mit dem Ka thodenkontakt nicht in Verbindung stehendes Hilfsemitter gebiet 13 in die zweite Basisschicht 8 eingelassen. Zwi schen dem Hilfsemittergebiet 13 und den MCT-Zellen MC tritt die zweite Basisschicht 8 an die Kathodenfläche und wird dort von der Gateelektrode 4 überdeckt. Das Bauele ment insgesamt ist dabei als MOS-gesteuerter Thyristor, z. B. in der Form einer MCT-IGBT-Kombination gemäß der EP-Al-03 40 445, angenommen.

Zum Einschalten des Bauelements wird ein gegenüber dem Kathodenpotential positives Signal an die Gateelektrode 4 (das MOS-Gate) gelegt. Hierdurch entstehen n-leitende In versionskanäle an der Oberfläche der zweiten Basisschicht 8, welche Kanäle die Emittergebiete 7 der MCT-Zellen MC mit dem Hilfsemittergebiet 13 leitend verbinden. Ist der Serienwiderstand der Inversionskanäle hinreichend klein, so trägt der Hilfsemitter nennenswert zur Emission bei. Beim Abschalten mit negativem Gatepotential verschwinden die n-Kanäle; der Hilfsemitter ist abgekoppelt und damit passiv. Das Abschalten des Bauelements wird allein von den konventionellen MCT-Zellen MC bewältigt.

Neben dem einfachen Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind in den folgenden Figuren weitere mögliche und vorteil hafte Ausführungsbeispiele dargestellt: So ist es nicht notwendig, das gesamte Gebiet zwischen den MCT-Zellen mit dem Hilfsemittergebiet 13 zu belegen. In einer ersten Va riante (Fig. 7) ist das Hilfsemittergebiet daher unter brochen und zerfällt in zwei Hilfsemittergebiete 13a und 13b. Zwischen den Hilfsemittergebieten 13a und 13b ent steht damit ein Zwischenraum, der zur Integration weite rer Bauelementfunktionen verwendet werden kann.

So ist es beispielsweise vorteilhaft, gemäß Fig. 8 zwi schen den Hilfsemittergebieten 13a, 13b nacheinander die zweite Basisschicht 8 und die erste Basisschicht 9 an die Kathodenfläche treten zu lassen. Die Gateelektrode 4 überdeckt dann auch die zwischen den Hilfsemittergebieten 13a, 13b an die Kathodenfläche tretende zweite Basis schicht 8. Sie bildet zusammen mit dieser, der angrenzen den ersten Basisschicht 9 und den angrenzenden Hilfs emittergebieten 13a, 13b eine MOS-Struktur, die zum MOS- gesteuerten Einschalten des Thyristors verwendet werden kann.

Fig. 9 zeigt eine weitere Variante, bei der die Gateelek trode 4 (aus Poly-Si) in einzelne Gateelektroden 4a, 4b aufgeteilt ist, die jeweils nur die eigentlichen Kanalbe reiche überdecken. Dies ermöglicht eine wesentliche Ver ringerung der Gate-Kathoden-Eingangskapazität und damit auch eine weitere Vereinfachung der Gate-Ansteuerelektro nik.

Bei sämtlichen Varianten kann ebenfalls eine struktu rierte Anode mit Anodenkurzschlüssen (zur Elektronenex traktion und Verringerung der Tailströme) vorgesehen wer den. Zu diesem Zweck werden gemäß Fig. 10 auf der An odenseite die Emitterschicht 10 unterbrochen und in den Unterbruchsbereichen n⁺-dotierte Anodenkurzschlußgebiete 15 angeordnet, welche von der einen Hauptfläche her in die erste Basisschicht 9 hineinragen.

Eine den bisher beschriebenen Verhältnissen ähnliche Si tuation existiert bei großflächigen Bauelementen (ab ei nigen mm² Kathodenfläche aufwärts), bei denen eine Metal lisierung der Gateelektrode in Form einer Finger- oder Baumstruktur zwingend vorgeschrieben ist, um die Ausbrei tungsgeschwindigkeit des Gatesignals innerhalb der Gate elektrode hinreichend klein zu halten. Im Normalfall wird das Gebiet unterhalb der entsprechenden Gatemetallisie rung (16 in Fig. 11) nicht sinnvoll genutzt. Hier bietet sich nun - wie in Fig. 11 gezeigt - an, in genau diesem Gebiet, wo die Poly-Si-Gateelektrode 4 von der Gatemetal lisierung 16 kontaktiert wird, das Hilfsemittergebiet 13 anzuordnen, um so die zur Verfügung stehende Siliziumflä che besser auszunutzen.

Fig. 12 zeigt schließlich eine weitere Variante mit durchgehendem Hilfsemittergebiet 13, jedoch unterbroche ner zweiter Basisschicht 8. In dem Unterbruchsbereich reicht die erste Basisschicht 9 bis an das Hilfsemitter gebiet 13 heran und bildet zusammen mit dem Hilfsemitter gebiet 13 und der Emitterschicht 10 eine PIN-Diode mit der Schichtenfolge n⁺-p⁻-p⁺. Diese Anordnung ist nie derohmiger als die benachbarten Thyristorzellen. Auf diese Weise kann der nachteilige Einfluß des Serienwi derstandes der n-Inversionskanäle wenigstens teilweise aufgehoben werden.

Beim Anlegen eines positiven Gatesignals (bezogen auf das Kathodenpotential) wird die PIN-Diode in Vorwärtsrichtung betrieben. Dabei werden massiv Elektronen in die erste Basisschicht 9 injiziert. Die in Fig. 12 gezeigte Struk tur vereinigt also die Funktion des Hilfsemitters und die Funktion des MOS-gesteuerten Einschaltens. Die Entfernung der einzelnen Gebiete der zweiten Basisschicht 8 vonein ander kann so dimensioniert werden, daß keine Gefahr für niedrige Durchbruchspannungen wegen Feldüberhöhungen be steht.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß in allen Varianten die Hilfsemittergebiete 13 bzw. 13a und 13b ge meinsam mit den hauptsächlichen Emittergebieten 7 der MCT-Zellen MC hergestellt werden können. Es sei weiterhin vermerkt, daß sämtliche dargestellten Strukturen auch komplementär aufgebaut werden können (aus p-dotierten Ge bieten werden n-leitende, und umgekehrt). Ein solcher komplementärer MCT ist insbesondere im Hinblick auf Bau element-Realisierungen für kleinere Spannungen (bis etwa 1 kV) von Bedeutung: Da in diesem Spannungsbereich die blockierende Schicht mit Hilfe der Epitaxie aufgebracht werden kann, steht auch der p-Dotierung dieser Schicht nichts im Weg. Damit ist aber die Realisierung von n-Ka nal-MOSFETs innerhalb der MCT-Zelle möglich, die dann in folge ihrer fast dreimal so hohen Kanalbeweglichkeit den Aufbau eines MOS-gesteuerten Thyristors mit wesentlich erhöhter Abschaltfähigkeit erlaubt.

Zur Strukturierung der Kathode ist folgendes anzumerken: Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der durch die n-Inversionskanäle repräsentierte Serienwiderstand die Effektivität des Hilfsemitters reduziert. Es sollte dem nach angestrebt werden, diesen Widerstand so klein wie möglich zu halten. Dies kann einerseits dadurch erfolgen, daß eine kleine Kanallänge (d. h. ein kleiner Abstand zwischen dem Kanalgebiet 6 der MCT-Zelle MC und dem Hilfsemittergebiet 13) gewählt wird. Eine untere Grenze wird hierbei durch die verfügbare Justiergenauigkeit der verwendeten Lithographie gesetzt. Auch könnte eine zu kurze Kanallänge mit dem Entstehen einer parasitären, la teralen Bipolarstruktur (bestehend aus Kanalgebiet 6, zweiter Basisschicht 8 und Hilfsemittergebiet 13) einher gehen.

Eine einfachere Methode, den Serienwiderstand beliebig klein zu machen, besteht darin, die Kanalweite zu ver größern. Dies kann erreicht werden, indem das Hilfsemit tergebiet 13 streifenartig (mit großer Länge) ausgeführt wird. Zu beiden Seiten des Hilfsemittergebietes 13 sind dann entweder die (quadratischen) MCT-Zellen MC in Form einer langen Reihe angeordnet (Fig. 13A), oder die MCT- Zellen MC sind selber analog zu dem Hilfsemittergebiet 13 streifenförmig ausgebildet (Fig. 13B).

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein MCT, der gleichzeitig auch auf großen Flächen die Abschaltfähig keit der Einzelzelle bewahrt und einen geringen ON-Wider stand aufweist.

Claims

1. MOS-gesteuerter Thyristor MCT, umfassend

(a) ein Halbleitersubstrat (1) mit zwei gegenüberliegen den Hauptflächen, von denen die eine einer Anode (A) zugeordnet ist, und die andere einer Kathode (K) zu geordnet ist und eine Kathodenfläche bildet;
(b) innerhalb des Halbleitersubstrats (1) zwischen der Anode (A) und der Kathode (K) eine Schichtenfolge mit einer Emitterschicht (8) von einem ersten Leit fähigkeitstyp, einer ersten Basisschicht (9) von ei nem zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitfähig keitstyp, und einer zweiten Basisschicht (8) vom er sten Leitfähigkeitstyp;
(c) innerhalb des Halbleitersubstrats (1) zwischen der Anode (A) und der Kathode (K) eine Vielzahl von ne beneinander angeordneten und parallel geschalteten MCT-Zellen (MC);
(d) innerhalb jeder MCT-Zelle (MC) auf der Kathodenseite ein in die zweite Basisschicht (8) eingelassenes Emittergebiet (9) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, welches von der Kathodenfläche her durch einen Ka thodenkontakt (2) kontaktiert ist; und
(e) innerhalb jeder MCT-Zelle (MC) auf der Kathodenseite eine MOS-Struktur mit einer über der Kathodenfläche isoliert angeordneten Gateelektrode (4), welche MOS- Struktur einen schaltbaren Kurzschluß zwischen der zweiten Basisschicht (8) und dem Kathodenkontakt (2) bildet;

dadurch gekennzeichnet, daß

(f) die einzelnen MCT-Zellen (MC) voneinander durch Zwi schenräume (12) getrennt sind, in welchen die zweite Basisschicht (8) an die Kathodenfläche tritt;
(g) die lateralen, linearen Dimensionen der Zwischen räume (12) mindestens von der gleichen Größenord nung sind, wie die lateralen, linearen Dimensionen der einzelnen MCT-Zelle (MC) selbst;
(h) in den Zwischenräumen (12) von der Kathodenfläche her eigenständige Hilfsemittergebiete (13, 13a, 13b) vom zweiten Leitfähigkeitstyp in die zweite Basis schicht (8) eingelassen sind, welche Hilfsemitterge biete (13, 13a, 13b) von den benachbarten MCT-Zellen (MC) durch die an die Kathodenfläche tretende zweite Basisschicht (8) getrennt sind; und
(i) die Gateelektrode (4) dort die an die Kathodenfläche tretende zweite Basisschicht (8) überdeckt.

2. MOS-gesteuerter Thyristor MCT, umfassend

dadurch gekennzeichnet, daß

(f) alle MCT-Zellen (MC) in einer Mehrzahl von MCT-Zel len-Clustern (MCC) zusammengefaßt sind;
(g) jeder MCT-Zellen-Cluster (MCC) aus einigen MCT-Zel len (MC) gebildet wird, die untereinander in unmit telbarer Nachbarschaft angeordnet sind;
(h) die MCT-Zellen-Cluster (MCC) voneinander durch Zwi schenräume (12) getrennt sind, in welchen die zweite Basisschicht (8) an die Kathodenfläche tritt;
(i) die lateralen, linearen Dimensionen des Zwischen raums (12) mindestens von der gleichen Größenord nung sind, wie die lateralen, linearen Dimensionen der einzelnen MCT-Zelle (MC) selbst; und
(k) in den Zwischenräumen (12) von der Kathodenfläche her eigenständige Hilfsemittergebiete (13, 13a, 13b) vom zweiten Leitfähigkeitstyp in die zweite Basis schicht (8) eingelassen sind, welche Hilfsemitterge biete (13, 13a, 13b) von den benachbarten MCT-Zel len-Clustern (MCC) durch die an die Kathodenfläche tretende zweite Basisschicht (8) getrennt sind; und
(l) die Gateelektrode (4) dort die an die Kathodenfläche tretende zweite Basisschicht (8) überdeckt.

3. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lateralen, li nearen Dimensionen der Zwischenräume (12) um ein Mehrfa ches größer sind, als die lateralen, linearen Dimensio nen der einzelnen MCT-Zelle (MC) selbst.

4. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenräu men (12) jeweils ein einziges, zusammenhängendes Hilfse mittergebiet (13) angeordnet ist. (Fig. 6).

5. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenräu men (12) jeweils mehrere nichtzusammenhängende und von einander beabstandete Hilfsemittergebiete (13a, 13b) an geordnet sind, zwischen denen die zweite Basisschicht (8) an die Kathodenfläche tritt. (Fig. 7).

6. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) zwischen den Hilfsemittergebieten (13a, 13b) nach einander die zweite Basisschicht (8) und die erste Basisschicht (9) an die Kathodenfläche treten; und
(b) die Gateelektrode (4) auch die zwischen den Hilfse mittergebieten (13a, 13b) an die Kathodenfläche tre tende zweite Basisschicht (8) überdeckt und zusammen mit dieser, der angrenzenden ersten Basisschicht (9), und den angrenzenden Hilfsemittergebieten (13a, 13b) eine MOS-Struktur zum Einschalten des Thyri stors bildet. (Fig. 8).

7. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gateelek trode (4) über den ganzen Zwischenraum (12) erstreckt.

8. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Gate-Kathoden-Kapazität die Gateelektrode (4) in ein zelne Gateelektroden (4a, 4b) aufgeteilt ist, welche ein zelnen Gateelektroden (4a, 4b) jeweils im wesentlichen nur die an die Kathodenfläche tretende zweite Basis schicht (8) überdecken. (Fig. 9).

9. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Anodenseite die Emitterschicht (10) unterbrochen und in den Unter bruchsbereichen Anodenkurzschlußgebiete (15) vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet sind, welche Anodenkurz schlußgebiete (15) von der einen Hauptfläche her in die erste Basisschicht (9) hineinragen. (Fig. 10).

10. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprü che 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Gateelektroden (4) zur Erhöhung der Ausbrei tungsgeschwindigkeit eines Gatesignals auf ihrer Oberseite mit einer Gatemetallisierung (16) versehen sind; und
(b) die Hilfsemittergebiete (13) im Halbleitersubstrat (1) unterhalb der Gatemetallisierung (16) angeordnet sind. (Fig. 11).

11. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprü che 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die zweite Basisschicht (8) unterhalb der Hilfsemit tergebiete (15) jeweils unterbrochen ist; und
(b) in den Unterbruchsbereichen die erste Basisschicht (9) bis an die Hilfsemittergebiete (13) heranreicht und zusammen mit den Hilfsemittergebieten (13) und der Emitterschicht (10) eine PIN-Diode bildet. (Fig. 12)

12. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprü che 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemit tergebiete (13, 13a, 13b) in der Form länglicher Streifen ausgebildet sind.

13. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, daß die den Hilfsemittergebieten (13, 13a, 13b) benachbarten MCT-Zellen (MC) entlang den Hilfsemittergebieten (13, 13a, 13b) in Form einer Reihe angeordnet sind. (Fig. 13A).

14. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, daß die den Hilfsemittergebieten (13, 13a, 13b) benachbarten MCT-Zellen (MC) ebenfalls in Form länglicher Streifen ausgebildet sind. (Fig. 13B).

15. MOS-gesteuerter Thyristor MCT nach einem der Ansprü che 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Emitterschicht (8) p⁺-dotiert, die erste Basis schicht (9) n-dotiert, die zweite Basisschicht (8) p-dotiert und das Emittergebiet (9) n⁺-dotiert ist; und
(b) die MOS-Struktur ein p-Kanal-MOSFET ist.