CH654447A5

CH654447A5 - Lichtgesteuertes halbleiterbauelement und verfahren zu dessen herstellung.

Info

Publication number: CH654447A5
Application number: CH5697/80A
Authority: CH
Inventors: Nobutake Konishi; Masayoshi Naito; Tsutomu Yatsuo; Yoshio Terasawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1986-02-14
Also published as: JPS5623776A; DE3028134C2; DE3028134A1; US4404580A; JPS5945233B2

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtgesteuertes Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie zwei Verfahren zur Herstellung derartiger Halbleiterbauelemente.

Ein lichtgesteuerter Thyristor, der die Funktion hat, aus einem in Durchlassrichtung gesperrten Zustand in den leitenden Zustand umzuschalten, wenn er mit Licht bestrahlt wird, besteht aus mindestens vier p-n-p-n-Schichten, einem Paar von Hauptelektroden, die in Ohm'schem Kontakt mit den beiden Aussenschichten der vier Schichten liegen, und einem Teil, das mit dem Lichtauslösesignal bestrahlt wird. Verglichen mit einem elektrisch gesteuerten Thyristor, hat der lichtgesteuerte Thyristor den Vorteil, dass aufgrund des Umstandes, dass eine Hauptschaltung und eine Steuerschaltung oder Torschaltung elektrisch isoliert werden können, die Steuerschaltung vereinfacht werden kann; der weitere Vorteil besteht darin, dass die Schaltung unempfindlich gegenüber Rauschen aufgrund der elektromagnetischen Induktion ist. Somit ist die Entwicklung von für hohe Spannungen geeignete, lichtgesteuerte Thyristoren, die diese Vorteile besitzen, wichtig geworden.

Ein lichtgesteuertes Halbleiterbauelement dieser Art ist in der US-PS 3 893 153 beschrieben. Als eines der Probleme in diesem Falle ist erwähnt, dass je mehr das dV/dt Leistungsvermögen ansteigt, desto schlechter wird die Lichtzündungs-Emp-findlichkeit. Das bedeutet, das dV/dt Leistungsvermögen und die Lichtzündungs-Empfindlichkeit sind einander entgegengesetzte Erfordernisse.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein lichtgesteuertes Halbleiterbauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, das in der Lage ist, das dV/dt Leistungsvermögen unter Aufrechterhaltung der Lichtempfindlichkeit zu erhöhen, was gleichbedeutend damit ist, die Lichtempfindlichkeit unter Beibehaltung des dV/dt Leistungsvermögens zu steigern. Dies wird durch Ausbildung nach dem Wortlaut des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 erreicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung im Schnitt einer er-findungsgemässen Ausführungsform eines lichtgesteuerten Thyristors;

Fig'. 2a bis 2d Darstellungen zur Erläuterung der verschiedenen Schritte des einen der erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung derartiger Bauelemente;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Verunreinigungs-konzentrationsprofils längs der Linie C-C' in Fig. 2d;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen N2/N1 (als Verhältnis des Maximalwertes N2 der Verunreinigungskonzentration der zweiten Basisschicht PB zur Verunreinigungskonzentration N1 des ersten n -leitenden Teiles) und dem dV/dt Leistungsvermögen des Thyristors in Fig. 2d;

Fig. 5, 7 und 8 Darstellungen im Schnitt von weiteren erfindungsgemässen Ausführungsformen des Thyristors ; und in

Fig. 6a bis 6f Darstellungen zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens für den Thyristor gemäss Fig. 5.

Bei der Darstellung gemäss Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper 100 zur Herstellung der neuartigen Thyristoranordnung vorgesehen. Im Halbleiterkörper 100 sind ein erster Thyristor 1 und ein zweiter Thyristor 2 in paralleler Anordnung vorgesehen, wobei der Thyristor 1 der primäre oder Lastthyristor und der Thyristor 2 der Steuer- oder Aktivierungsthyristor ist.

Jeder Thyristor hat vier Verunreinigungsbereiche mit abwechselndem Trägertyp, die abwechselnd im Halbleiterkörper 1 zwischen den beiden Hauptflächen 101 und 102 angeordnet sind. Der erste oder primäre Thyristor 1 hat einen ersten Verunreinigungsbereich PE mit einer Leitfähigkeit vom P-Typ im Halbleiterkörper 100, der an die erste Hauptfläche 101 angrenzt, um einen ersten Emitterbereich 11 zu bilden; einen zweiten Verunreinigungsbereich nB mit einer Leitfähigkeit vom n-Typ der an den ersten Verunreinigungsbereich PE im Inneren des Halbleiterkörpers 100 angrenzt, um den ersten Basisbereich 12 zu bilden; einen dritten Verunreinigungsbereich PB mit einer Leitfähigkeit vom P-Typ, der an den zweiten Verunreinigungsbereich nB im Inneren des Halbleiterkörpers 100 angrenzt, um einen zweiten Basisbereich 13 zu bilden; und einen vierten Verunreinigungsbereich, der an den dritten Verunreinigungsbereich PB im Inneren des Halbleiterkörpers 100 sowie an die zweite Hauptfläche 102 angrenzt, um den zweiten Emitterbereich 14 zu bilden.

Die Verunreinigungsbereiche 11, 12 und 13 erstrecken sich durch den Halbleiterkörper 100 und bilden somit gemeinsame erste Emitterbereiche, erste Basisbereiche und zweite Basisbereiche für den zweiten Thyristor 2. Ein fünfter Verunreinigungsbereich ist vorgesehen, der an die zweite Hauptfläche 102 im Abstand von dem zweiten Emitterbereich 14 angrenzt, um einen zweiten Emitterbereich für den zweiten Thyristor 2 zu bilden. Dieser zweite Emitterbereich des zweiten Thyristors 2 hat einen ersten Bereich ng mit einer Leitfähigkeit vom n~-Typ im Halbleiterkörper 100, der an den zweiten Basisbereich 13 angrenzt und einen zweiten Emitterbereich 400 bildet, sowie einen zweiten Bereich nj mit einer Leitfähigkeit vom n+-Typ im Halbleiterkörper 100, der an den ersten Bereich ng und die zweite Hauptfläche 102 angrenzt und einen zweiten Emitterbereich 40 bildet.

Der gemeinsame zweite Basisbereich 13 grenzt ausserdem in unterbrochener Weise an den zweiten Emitterbereich 14 des ersten Thyristors 1 an und bildet Nebenschlusswiderstände, Überbrückungen bzw. Öffnungen.

Durch Diffusion des zweiten Emitterbereiches 14 können die Nebenschlusswiderstände 401 in unterbrochener Weise ausgebildet werden, wobei der zweite Basisbereich 13 an die zweite Hauptfläche 102 angrenzend bleibt. Gleichzeitig werden Zwischenteile 402 des zweiten Basisbereiches 13 zwischen dem zweiten Emitterbereich 14 und den zweiten Emitterbereichen 40 und 400 der ersten und zweiten Thyristoren gebildet, wobei der zweite Basisbereich 13 an die Hauptfläche 102 angrenzend bleibt.

Eine Anodenelektrode 16 ist auf der ersten Hauptfläche 101 vorgesehen und bildet einen Ohm'schen Kontakt mit dem gemeinsamen ersten Emitterbereich 11 der beiden Thyristoren 1 und 2.

Eine Kathodenelektrode 17 ist auf der zweiten Hauptfläche 102 angeordnet und bildet einen Ohm'schen Kontakt mit dem zweiten Emitterbereich 14 des ersten Thyristors 1. Die Kathodenelektrode 17 bildet ausserdem einen Ohm'schen Kontakt mit dem zweiten Basisbereich 13 des ersten Thyristors 1 an den hindurchgehenden Nebenschlusswiderständen 401.

Zur Vervollständigung der Thyristoranordnung ist ausserdem ein anschlussfreier, potentialfreier Kontakt 15 auf der zweiten Hauptfläche 102 des zweiten Thyristors 2 rittlings auf zumindest einem Teil des Zwischenteiles 402 angeordnet, im weiteren «Floating»-Kontakt genannt. Der Floatingkontakt 15 bildet somit einen Ohm'schen Kontakt mit dem gemeinsamen zweiten Basisbereich 13 zwischen den Thyristoren 1 und 2 und mit dem zweiten Emitterbereich 40 und 400 des zweiten Thyri-

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stors 2, während der wesentliche Teil der zweiten Hauptfläche 102, der an den zweiten Emitterbereich 40 angrenzt, freigelassen wird.

In den verschiedenen Darstellungen in Fig. 2a bis 2d sind Schnitte zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens für eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Thyristors dargestellt.

Zunächst wird Aluminium, das ein Dotierungsmaterial vom p-Typ ist, in die beiden Hauptflächen eines n-leitenden Siliciumsubstrats 100 mit einem spezifischen Widerstand von 250 Qcm eindiffundiert, um eine p-Ieitende Emitterschicht 11 und eine p-Ieitende Basisschicht 13 zu bilden, wobei der übrige Teil des Siliciumsubstrats 100 zu einer n-leitenden Basisschicht 12 wird (vgl. Fig. 2a). Anschliessend wird eine n-leitende Schicht 400 unter Verwendung eines Epitaxialverfahrens ausgebildet. Das epitaxiale Anbauen kann selektiv durchgeführt werden, wie es in Fig. 2b dargestellt ist, oder alternativ dazu kann nach der Durchführung des epitaxialen Anwachsens über die gesamte freiliegende Oberfläche der p-leitenden Basisschicht 13 eine n-leitende Schicht 400 durch ein Ätzverfahren übrig gelassen werden, wie es in Fig. 2b dargestellt ist. Beim nächsten Schritt wird Phosphor, der ein n-leitendes Dotierungsmaterial ist, in sämtliche Bereiche der freiliegenden Hauptfläche der p-Ieiten-den Basisschicht 13 und die freiliegende Fläche der n-leitenden Schicht 400 eindiffundiert, um eine n-leitende Emitterschicht 14 zu bilden (vgl. Fig. 2c). Anschliessend wird eine ringförmige Nut 402 gebildet, die bis an die p-leitende Basisschicht 13 heranreicht, um den Bereich des zweiten Thyristors 2 und den Bereich des ersten Thyristors 1 zu isolieren; ferner wird eine grosse Anzahl von Kurzschlussöffnungen 401 in ähnlicher Weise ausgebildet. Eine Anodenelektrode 16, eine Kathodenelektrode 17 und ein Floatingkontakt 15 werden unter Verwendung von Aluminium oder dgl. ausgebildet. Der Floatingkontakt 15 bildet einen Kurzschluss der nÊ-Emitterschicht 40 mit der p-leitenden Basisschicht 13 am äusseren Umfang der n-leitenden Emitterschicht 40 und bildet gleichzeitig eine Öffnung 500, durch welche eine Bestrahlung mit Licht erfolgt (vgl. Fig. 2d). Das Profil der Verunreinigungsdichte, im weitern auch -Konzentration genannt, längs einer Linie C-C' des lichtgesteuerten Thyristors gemäss Fig. 2d ist in Fig. 3 dargestellt. Aus Fig. 3 ergibt sich,

dass die Verunreinigungsdichte N1 der n—-leitenden Emitterschicht 400 geringner ist als die maximale Dichte N2 der p-lei-tenden Basisschicht 13.

Der Halbleiterkörper 100 besitzt eine gleichmässige Verunreinigungskonzentration, die an jeder Oberfläche wegen der Diffusionsprozesse zur Herstellung der Bereiche 11 und 13 abnimmt. Der Bereich 11 hat ein Verunreinigungsprofil, das eine zunehmende Verunreinigungskonzentration von IO14 bis IO20 Atomen pro cm3 aufweist, und eine Dicke von 50 (im bis 200 (im. Das Verunreinigungsprofil des Bereiches 13 hat ein geringeres Maximum als der Bereich 11.

Der Bereich 13 hat ein Verunreinigungsprofil, das eine zunehmende Verunreinigungskonzentration von IO13 bis 1017 Atomen pro cm3 aufweist, und eine Dicke von 50 (im bis 130 [im. Der Bereich 12 hat ein Verunreinigungsprofil, das eine gleichmässige Verunreinigungskonzentration von IO13 bis 1014 Atomen pro cm3 aufweist, und eine Dicke von 500 (im bis 1200 (im. Der Bereich 400 als erstes Teil hat ein Verunreinigungsprofil, das eine gleichmässige Verunreinigungskonzentration von 1013 Atomen pro cm3 aufweist, und eine Dicke von 10 (im bis 30 (im. Der Bereich 40 als zweites Teil hat ein Verunreinigungsprofil, das eine zunehmende Verunreinigungskonzentration von 1013 bis 1021 Atomen pro cm3 aufweist, und eine Dicke von 5 (im bis 12 [im.

Der Bereich 13 mit seiner anfänglich zunehmenden Verunreinigungskonzentration verzögert das Fliessen von Elektronen durch den Bereich 13 und in den Bereich 12.

Wenn der lichtgesteuerte Thyristor 100 der hier beschriebenen Art sich im in Durchlassrichtung gesperrten Zustand befindet, ist die Trägerdichte der n-—leitenden zweiten Emitterschicht 400 am p-n-Übergang J3 geringer als die der p-leitenden zweiten Basisschicht 13. Hinsichtlich des durch den p-n-Über-5 gang J3 hindurchfliessenden Stromes herrscht somit ein Löschstrom vor, während der Stromwert klein ist, so dass die Menge an Elektronen, die von den n-leitenden zweiten Emitterschichten 400 und 40 durch den p-n-Übergang J3 in die p-leitende zweite Basisschicht 13 injiziert wird, klein ist.

io Auch wenn eine Durchlassspannung mit hohem dV/dt Wert an die Kathodenelektrode 17 und die Anodenelektrode 16 angelegt wird, wird aus diesem Grunde eine kleine Menge an Elektronen aus den n-leitenden zweiten Emitterschichten 400 und 40 in die p-leitende zweite Basisschicht 13 injiziert. Dementspre-15 chend wird die Unzulänglichkeit eines herkömmlichen Thyristors gemäss der US-PS 3 893 153 vermieden, wo eine fehlerhafte Zündung durch Elektronen erfolgen kann, die von der n-leitenden zweiten Emitterschicht 40 in die p-leitende zweite Basisschicht 13 injiziert werden.

20 Um den erfindungsgemässen Thyristor aus seinem in Durchlassrichtung gesperrten Zustand einzuschalten, und zwar in einem Zustand, wo eine negative Spannung gegenüber der Anodenelektrode 16 an die Kathodenelektrode 17 sowie den Floatingkontakt 15 angelegt ist, wird Licht mit einer Energie ober-25 halb von 1,1 eV als Energieabstand von Silicium, d.h. unterhalb von 1,15 (im ausgedrückt in Wellenlängen, beispielsweise Licht 600 einer lichtemittierenden Galliumarsenid-Diode (GaAs LED) mit einer Wellenlänge von 0,9 (im durch die Öffnung 500 des Floatingkontaktes 15 eingestrahlt. Durch die Einstrahlung 30 des Lichtes treten Elektronen-Löcher-Paare innerhalb des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 400, des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 und des n-leitenden ersten Basisbereiches 12 auf. Somit wird der n-leitende zweite Emitterbereich 400 mit Trägern aufgefüllt, und zwar mit Löchern, die vom p-leitenden 35 zweiten Basisbereich 13 in den n-leitenden Emitterbereich 400 injiziert werden, den vom n-leitenden zweiten Emitterbereich 40 in den n-leitenden zweiten Emitterbereich 400 injizierten Elektronen und den durch die Lichtbestrahlung innerhalb des n-leitenden Emitterbereiches 400 erzeugten Elektronen-Löcher-Paa-40 ren. Infolgedessen wird die Differenz der Trägerdichten klein zwischen der Seite des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 400 und der Seite des p-leitenden Basisbereiches 13 des p-n-Über-ganges J3, und die Potentialsperre am p-n-Übergang J3 sinkt unter den Wert der thermischen Energie ab und verschwindet 45 im wesentlichen. Diese thermische Energie beträgt ungefähr 35 mV bei 125°C und 26 mV bei 27°C usw.

Aus diesem Grunde wird der n-leitende zweite Emitterbereich 400 im wesentlichen ein kontinuierlicher Basisbereich zum p-leitenden zweiten Basisbereich 13. Zu diesem Zeitpunkt wird so der wesentliche p-n-Übergang J3 zur Grenzschicht 440 zwischen dem n-leitenden Emitterbereich 40 und dem n-leitenden Emitterbereich 400. Da die Elektronendichte des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 40 ausreichend hoch ist, werden Elektronen von hier in ausreichendem Masse in den Basisbereich injiziert, 55 so dass der Bereich des zweiten Thyristors 2 oder des Hilfsthyristors eingeschaltet wird. Infolgedessen fliesst der Hauptstrom j des zweiten Thyristors 2 in der durch den Pfeil in Fig. 2d angedeuteten Weise. Danach wird der Strom wie bei herkömmlichen Thyristoren mit Gate-Steueranschiuss in den n-leitenden zwei-co ten Emitterbereich 14 des ersten Thyristors oder Hauptthyristors 1 durch den Floatingkontakt 15 und den p-leitenden zweiten Basisbereich 13 injiziert und sorgt für die Injektion von Elektronen aus dem n-leitenden zweiten Emitterbereich 14, um den Hauptthyristor in den Einschaltzustand zu bringen. 65 Die Wirkung der erfindungsgemässen Ausführungsform wird nachstehend näher erläutert. Unter Verwendung einer lichtemittierenden GaAs-Diode als Lichtquelle wurde ein Lichtsignal mit einer Wellenlänge von 0,9 (im an den lichtgesteuerten

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Thyristor gemäss Fig. 2d sowie die herkömmliche Ausführungsform nach der US-PS 3 893 153 angelegt. Das Lichtsignal ist dabei ein Lichtstrahl mit einem Durchmesser von ungefähr 1 mm, während ein Lichtbestrahlungsteil, also die freiliegende Oberfläche des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 40, einen Durchmesser von 6 mm hat.

Im Ergebnis wird die hier beschriebene Ausführungsform gezündet, indem man einen Strom von 50 mA durch die lichtemittierende GaAs-Diode leitet, während die Ausführungsform nach dem Stand der Technik gezündet wird, indem man einen Strom von 40 mA hindurchleitet. Das dV/dt Leistungsvermögen beträgt ungefähr 4000 V/s bei der erfindungsgemässen Ausführungsform, während sie ungefähr 1000 V/s bei der Ausführungsform nach dem Stand der Technik beträgt. Das Lichtemis-sions-Ausgangssignal der GaAs-Diode ist im wesentlichen proportional zur Grösse des hindurchfliessenden Stromes, so dass im Vergleich zur Ausführungsform gemäss dem Stand der Technik die erfindungsgemässe Ausführungsform ein viermal so hohes dV/dt Leistungsvermögen besitzt, während die Lichtempfindlichkeit nur auf einen Faktor von 0,8 absinkt. Das bedeutet, dass das dV/dt Leistungsvermögen bei der erfindungsgemässen Ausführungsform erheblich gesteigert werden kann, ohne dabei die Lichtempfindlichkeit in einem Ausmass zu verringern, die in der Praxis Probleme aufwerfen.

Mit der erfindungsgemässen Bauform kann die Lichtempfindlichkeit erhöht werden, ohne das dV/dt Leistungsvermögen zu verschlechtern. Die Lichtempfindlichkeit eines lichtgesteuerten Thyristors der Bauart, die einen p-n-p-n-Vierschichtenauf-bau hat und bei der eine Bestrahlung mit Licht von einer äusseren Schicht erfolgt, schwankt in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen dem Bereich der einen äusseren Schicht und dem mit dem Licht bestrahlten Bereich auf der freiliegenden Hauptfläche der einen äusseren Schicht, und wenn das Lichtsignal fest ist, wird die Lichtempfindlichkeit öder das Lichtansprechvermögen grösser werden, wenn der Bereich des einen Leistungsvermögens mehr abnimmt als der Bereich der einen äusseren Schicht grösser ist. Bislang war somit eine Steigerung der Lichtempfindlichkeit ohne eine Verschlechterung des dV/dt Leistungsvermögens begrenzt. Im Gegensatz dazu kann, wie bereits erwähnt, gemäss der Erfindung das dV/dt Leistungsvermögen gesteigert werden, ohne die Lichtempfindlichkeit oder das Lichtansprechvermögen zu beeinträchtigen. Dementsprechend kann die Lichtempfindlichkeit gesteigert werden, ohne das dV/dt Leistungsvermögen zu verschlechtern, indem man einen erfindungsgemässen Aufbau verwendet und den Bereich der mit Licht bestrahlten äusseren Schicht vergrössert.

Nachstehend wird eine nähere Erläuterung der erfindungsgemässen Anordnung im Leitungszustand gegeben. In Fig. 3 ist die Trägerdichte im Leitungszustand angegeben. In Fig. 3 bezeichnen die ausgezogene Linie 600a, die strichlierte Linie 700 und die strichpunktierte Linie 800 die Verunreinigungsdichte, die Elektronendichte bzw. die Löcherdichte der jeweiligen leitenden Schichten oder Bereiche 11, 12, 13, 400 bzw. 40. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird der n~-l ei tende zweite Emitterbereich 400 mit Trägern auf einen Wert aufgefüllt, der ungefähr gleich dem Maximalwert der Verunreinigungsdichte des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 ist. Wie bereits erwähnt, wird somit die Differenz der Trägerdichte klein zwischen der Seite des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 400 und der Seite des p-leitenden Basisbereiches 13 des p-n-Überganges J3, so dass der Leitungszustand leicht aufrechterhalten wird. Ausserdem kann der Spannungsabfall des Halbleiterkörpers 100 im Leitungszustand in einem Masse unterdrückt werden, dass er den Betrieb in der Praxis nicht beeinträchtigt.

Nachstehend ist eine Erläuterung für den Zusammenhang zwischen der Verunreinigungsdichte N1 des n~~-leitenden Bereiches 400 und der Verunreinigungsdichte N2 des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 gegeben. Wenn sich der Wert N2/N1

oder das Verhältnis des Maximalwertes N2 zum Wert N1 im Bereich von 1 bis 103 ändert, so ergibt sich die mit 900 in Fig. 4 bezeichnete Kurve für das dV/dt Leistungsvermögen, gemessen in V/us. Aus Fig. 4 lässt sich entnehmen, dass das dV/dt Leistungsvermögen der erfindungsgemässen Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 im Bereich zwischen 1 und 10 keinen Unterschied gegenüber dem herkömmlichen Thyristor hat. Jedoch wird das dV/dt Leistungsvermögen der erfindungsgemässen Ausführungsform im Bereich zwischen 10 und 103 erheblich verbessert.

Wenn man das Verhältnis N2/N1 grösser als 10 macht, wird das dV/dt Leistungsvermögen erheblich verbessert. Die obere Grenze für den Wert N2/N1 ist auf ungefähr 104 begrenzt, da die Differenz der Verunreinigungsdichte zwischen den beiden Schichten, die aus einer p-leitenden Schicht und einer n-leitenden Schicht bestehen, aus Gründen der Herstellungstechnik für Thyristoren nicht so gross gemacht werden kann.

Nachstehend soll eine weitere Ausführungsform näher erläutert werden. Der lichtgesteuerte Thyristor gemässs Fig. 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 darin, dass sowohl die freiliegenden Hauptflächen 102 des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 40 des zweiten Thyristorbereiches 2 und der erste Thyristorbereich 1 in derselben Ebene liegen. Ein derartiger Aufbau wird in der in Fig. 6a bis 6f dargestellten Weise erhalten, indem man einen n-leitenden zweiten Emitterbereich 400 auf dem p-leitenden zweiten Basisbereich 13 in der Weise ausbildet, dass man eine Aussparung 4000 in einem vorgegebenen Teil des Bereiches 13 (vgl. Fig. 6b) in der in Fig. 6 angedeuteten Weise ausfüllt; nach dem Polieren der Oberfläche, wie es in Fig. 6d angedeutet ist, wird die n-leitende zweite Emitterschicht 40 auf den freiliegenden Hauptflächen des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 400 und des p-leiten-den zweiten Basisbereiches 13 durch Diffusionsverfahren ausgebildet, wie es in Fig. 6e angedeutet ist. Die anderen Verfahrensschritte gemäss Fig. 6a und 6f sind die gleichen wie beim Herstellungsverfahren gemäss Fig. 2a bis 2d.

Ein derartiger Aufbau bringt den Erfolg mit sich, dass die Lichtempfindlichkeit in hohem Masse verbessert wird, da die Dicke D gemäss Fig. 6f zwischen der Grenzschicht J2 und der Grenzschicht J3 des ersten Bereiches 400 dünn wird, und das Photoätzen zur Herstellung der ringförmigen Nut 402 und der Kurzschlussöffnungen 401 kann mit hoher Präzision durchgeführt werden, da die freiliegenden Hauptflächen 102 des n+-leitenden zweiten Emitterbereiches 14 in derselben Ebene liegen.

Der lichtgesteuerte Thyristor gemäss Fig. 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 darin, dass der n~-leitende zweite Emitterbereich 400 auch im Bereich des ersten Thyristors angeordnet ist. Eine derartige Anordnung wird in der Weise erhalten, dass der n~-leitende zweite Emitterbereich 400 auf dem gesamten Bereich der freiliegenden Hauptfläche des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 durch ein Epi-taxialverfahren hergestellt und der n—-leitende zweite Emitterbereich 40 in der freiliegenden Hauptfläche des n—-leitenden zweiten Emitterbereiches 400 durch ein Diffusionsverfahren oder auf dem n~ -leitenden zweiten Emitterbereich 400 durch ein Epitaxialverfahren ausgebildet wird. Die anderen Herstellungsschritte sind die gleichen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2a bis 2d. Bei einem derartigen Aufbau wird neben -der Wirkung aufgrund der Anordnung gemäss Fig. 5 der Schritt zur Herstellung des n~-leitenden Emitterbereiches 400 im ausgewählten Bereich des p-leitenden Basisbereiches 13 weggelassen, um das Herstellungsverfahren zu vereinfachen.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 2a bis 2d und Fig. 5 sind der n-leitende zweite Emitterbereich 40 und der p-leitende zweite Basisbereich 13 kurzgeschlossen, während bei der Ausführungsform nach Fig. 7 der n~-leitende zweite Emitterbereich 400 und der p-leitende zweite Basisbereich 13 nicht kurzge5

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schlössen sind. Dabei war jedoch kein wesentlicher Unterschied festzustellen.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 2a bis 2d und Fig. 5 kann das Kurzschliessen des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 40 und des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 ohne weiteres so sein, dass ohne die Anbringung von Kurzschlussöffnungen 401 der n-leitende zweite Emitterbereich 40 in ausgewählten Bereichen der Oberfläche des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 durch Diffusionsverfahren ausgebildet wird, wobei das Kurzschliessen der Bereiche 40 und 14 durch eine flache Kathodenelektrode 17 erfolgt.

Fig. 8a und 8b zeigen die oben genannte Ausführungsform. Gemäss Fig. 8a wird der n~~-Ieitende zweite Emitterbereich 400 in gleicher Weise wie bei Fig. 2b hergestellt. Nach der Herstellung einer Si02-Schicht auf der freiliegenden Oberfläche 103 des zweiten Basisbereiches 13 durch ein thermisches Oxydationsverfahren oder ein chemisches Verdampfungsverfahren wird die an der Stelle angebrachte SiOî-Schicht, wo die n+-leitenden zweiten Emitterbereiche 14 und 40 gebildet werden sollen, durch ein Photoätzverfahren entfernt und dann der Phosphor als n-leitendes Dotierungsmaterial an dieser Stelle eindiffundiert. Wie in Fig. 8b dargestellt, wird nach dem Entfernen der verbliebenen Si02-Schicht 50 auf der Oberfläche 102 eine Anodenelektrode 16, eine Kathodenelektrode 17 und ein Floatingkontakt 15 unter Verwendung von Aluminium oder dgl. hergestellt.

Zusammenfassend wird somit ein lichtgesteuerter Thyristor mit hohem dV/dt Leistungsvermögen angegeben, indem man erste und zweite Thyristoren als primären Thyristor und Steuerthyristor in einem Halbleiterkörper mit ersten und zweiten Hauptflächen verwendet. Die beiden Thyristoren haben gemeinsame Bereiche für einen ersten Emitter, eine erste Basis und eine zweite Basis sowie im Abstand voneinander angeordnete erste Emitterbereiche, die an die zweite Hauptfläche des Halbleiterkörpers angrenzen. Der zweite Emitterbereich des zweiten Thyristors besteht aus ersten und zweiten Teilen, wobei jeder Teil einen abgestuften Wert der Verunreinigungskonzentration hat und der erste Teil gegen den zweiten Basisbereich des zweiten Thyristors angrenzt, um ein verzögertes elektrisches Feld zu schaffen. Die zweite Hauptfläche am zweiten Emitterbereich des'zweiten Thyristors ist zur Aktivierung des zweiten

Thyristors ausgelegt, und zwar mit elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen, die im wesentlichen der Energiebandbreite des Halbleiterkörpers entsprechen. Die Kathodenelektrode bildet einen Ohm'schen Kontakt mit dem zweiten Emitterbe-5 reich des ersten Thyristors, die Anodenelektrode bildet einen Ohm'schen Kontakt mit den gemeinsamen ersten Emitterbereichen. Ein Floatingkontakt bildet ebenfalls einen Ohm'schen Kontakt zum zweiten Emitterbereich des zweiten Thyristors und dem gemeinsamen zweiten Basisbereich zwischen den Thyristo-10 ren. Mit einer derartigen Anordnung lässt sich bei einem lichtgesteuerten Thyristor das dV/dt Leistungsvermögen in wirksamer Weise steigern, ohne seine Lichtempfindlichkeit zu beeinträchtigen, und umgekehrt.

Zur Erreichung des erfindungsgemässen Zieles ist somit vor-15 gesehen, dass ein Halbleiterkörper verwendet wird, bei dem vier p-n-p-n-Schichten in der vorerwähnten Reihenfolge übereinander geschichtet sind, wobei eine Halbleiterschicht geringer Dik-ke zwischen eine äussere Schicht auf der Seite der Kathodenelektrode und eine an die äussere Schicht angrenzende innere Schicht eingefügt ist und wobei die Verunreinigungskonzentration der Halbleiterschicht geringer Dicke geringer ist als der Maximalwert der Verunreinigungskonzentration der einen inneren Schicht in einem an die innere Schicht angrenzenden Teil. Ausserdem wird gemäss der Erfindung dafür gesorgt, dass die 25 Bestrahlung mit Licht von der freiliegenden Oberfläche der einen äusseren Schicht auf der Seite der Kathodenelektrode der erwähnten Vierschichtenanordnung erfolgt.

Wenn beim Aufbau der vorgängig näher beschriebenen Art 30 eine Spannung mit hohem dV/dt Wert im in Durchlassrichtung gesperrten Zustand angelegt wird, werden die vom Teil hoher Konzentration der einen äusseren Schicht auf der Seite der Kathodenelektrode in die eine innere Schicht zu injizierenden Träger durch die Halbleiterschicht geringer Konzentration begrenzt 35 und das dV/dt Leistungsvermögen gesteigert. Darüber hinaus wird die im Halbleiter durch die Bestrahlung mit dem Lichtsignal zu erregende Menge an Elektronen-Löcher-Paaren nicht in beträchtlicher Weise durch das Vorhandensein der oben erwähnten Halbleiterschicht geringer Konzentration beeinträch-40 tigt, so dass eine Verringerung der Lichtempfindlichkeit nicht problematisch ist.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Lichtgesteuertes Halbleiterbauelement, mit ersten und zweiten Halbleiteranordnungen, die in einem Halbleiterkörper mit ersten und zweiten Hauptflächen angeordnet sind, wobei jede Anordnung vier Verunreinigungsbereiche aufweist, die sich zwischen den Hauptflächen durch den Halbleiterkörper erstrek-ken, wobei die Verunreinigungsbereiche abwechselnde entgegengesetzte Leitfähigkeit mit p-n-Übergängen zwischeneinander haben und nacheinander von der ersten Hauptfläche einen ersten Emitterbereich, einen ersten Basisbereich, einen zweiten Basisbereich und einen zweiten Emitterbereich bilden, mit gemeinsamen ersten Ermitter-, ersten Basis- und zweiten Basisbereichen für die ersten und zweiten Halbleiteranordnungen, mit an den zweiten Emitterbereichen der zweiten Halbleiteranordnung angrenzenden Teilen der zweiten Hauptfläche, die zur Aktivierung der zweiten Halbleiteranordnung mit hindurchgehendem Licht mit Wellenlängen ausgelegt sind, die im wesentlichen dem Energieabstand des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers entspricht, mit auf den ersten bzw. zweiten Hauptflächen angeordneten Anoden- und Kathodenelektroden für den Halbleiterkörper, die einen Ohm'schen Kontakt mit dem gemeinsamen ersten Emitterbereich der beiden Halbleiteranordnungen bzw. dem zweiten Emitterbereich der ersten Halbleiteranordung bilden, und mit einem auf der zweiten Hauptfläche angeordneten potentialfreien Kontakt, der einen Ohm'schen Kontakt mit dem gemeinsamen zweiten Basisbereich zwischen den Halbleiteranordnungen und dem zweiten Emitterbereich der zweiten Halbleiteranordnung bildet, während der wesentliche Teil der zweiten Hauptfläche, der an den zweiten Emitterbereich der zweiten Halbleiteranordnung angrenzt, für die Aktivierung durch eintretendes Licht frei bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Emitterbereich der zweiten Halbleiteranordnung (2) erste (400) und zweite Teile (40) aufweist, wobei jeder Teil einen abgestuften Wert der Verunreinigungskonzentration aufweist und der erste Teil (400) gegen den zweiten Basisbereich (13) angrenzt, so dass ein p-n-Übergang zwischen ihnen gebildet ist, und dass der erste Basisbereich (12) eine geringere Verunreinigungskonzentration als der erste Emitterbereich (11), der zweite Basisbereich (13) eine höhere Verunreinigungskonzentration als der erste Basisbereich (12), der erste Teil (400) hinsichtlich einer Verunreinigungskonzentration einen geringeren Wert als ein Maximalwert der Verunreinigungskonzentration des zweiten Basisbereiches (13) und der zweite Teil (40) eine höhere Verunreinigungskonzentration als der erste Teil (400) aufweisen.
2. Lichtgesteuertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert der Verunreinigungskonzentration des zweiten Basisbereiches (13) um einen Faktor 10 bis 1000 höher ist als die des ersten Teiles (400).
3. Lichtgesteuertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (400) einen weitgehend konstanten Wert der Verunreinigungskonzentration aufweist.
4. Lichtgesteuertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Emitterbereich (11) eine Verunreinigungskonzentration von 1014 bis IO20 Atomen pro cm3 und eine Dicke von 50 bis 200 (im aufweist, dass der erste Basisbereich (12) eine Verunreinigungskonzentration von IO13 bis 1014 Atomen pro cm3 und eine Dicke von 500 bis 1200 um aufweist, dass der zweite Basisbereich (13) eine Verunreinigungskonzentration von IO13 bis 1017 Atomen pro cm3 und eine Dicke von 50 bis 130 p.m aufweist, dass der erste Teil (400) eine Verunreinigungskonzentration von 1013 Atomen pro cm3 und eine Dicke von 10 bis 30 um aufweist, und dass der zweite Teil (40) eine Verunreinigungskonzentration von IO13 bis 1021 Atomen pro cm3 und eine Dicke von 5 bis 15 jj,m aufweist.
5. Lichtgesteuertes Halbleiterbauelement nach einem der sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame zweite Basisbereich (13) mit Unterbrüchen an den zweiten Emitterbereich (14) der ersten Halbleiteranordnung (1) angrenzt und zwischen den Emitterbereichen (14, 40, 400) der ersten und zweiten Halbleiteranordnungen (1, 2) ein Zwischenraum vorliegt, so dass die zweiten Emitterbereiche (14, 40, 400) im Abstand voneinander angeordnet sind, und dass die Kathodenelektrode (17) einen Ohm'schen Kontakt in den Unterbrüchen mit dem zweiten Basisbereich (13), als Nebenanschlüsse (401) durch den zweiten Emitterbereich (14) der ersten Halbleiteranordnung (1), bildet.
6. Lichtgesteuertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide freiliegenden Hauptflächen (102) der zweiten Emitterbereiche (14, 40) der ersten und zweiten Halbleiteranordnungen (1, 2) in derselben Ebene liegen.
7. Verfahren zur Herstellung von lichtgesteuerten Halbleiterbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Eindiffundieren eines p-Ieitenden Dotierungsmaterials in beide Hauptflächen eines n-Ieitenden Siliciumsubstrats zur Ausbildung des ersten Emitterbereiches und des zweiten Basisbereiches, wobei der übrige Teil des Siliciumsubstrats zum ersten Basisbereich wird,

b) Ausbilden einer n-leitenden Schicht, die an die zweite Hauptfläche der zweiten Halbleiteranordnung angrenzt, zur Ausbildung des ersten Teiles des zweiten Emitterbereiches der zweiten Halbleiteranordnung unter Verwendung eines Epitaxial-verfahrens,

c) Eindiffundieren eines n-leitenden Dotierungsmaterials in die gesamten Bereiche der freiliegenden Hauptfläche des zweiten Basisbereiches und der freiligenden Oberfläche des ersten Teiles zur Herstellung des zweiten Emitterbereiches der ersten Halbleiteranordnung bzw. des zweiten Teiles,

d) Herstellen einer geschlossenen Nut auf der zweiten Oberfläche, wobei die Nut bis zum zweiten Basisbereich reicht, um die zweite Halbleiteranordnung und die erste Halbleiteranordnung zu isolieren,

e) Ausbilden mehrerer Öffnungen zur Herstellung von Nebenanschlüssen und f) Herstellen von Anodenelektrode, Kathodenelektrode und dem potentialfreien Kontakt auf der gemeinsamen ersten Hauptfläche, der zweiten Hauptfläche der ersten Halbleiteranordnung und der zweiten Hauptfläche der zweiten Halbleiteranordnung.
8. Verfahren zur Herstellung von lichtgesteuerten Halbleiterbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Eindiffundieren eines p-leitenden Dotierungsmaterials in beide Hauptflächen eines n-leitenden Siliciumsubstrats zur Herstellung des ersten Emitterbereiches und des zweiten Basisbereiches, während der übrige Teil des Siliciumsubstrats zum ersten Basisbereich gemacht wird,

b) Herstellen einer Aussparung in den freiliegenden zweiten Basisbereich der zweiten Halbleiteranordnung,

c) Herstellen einer n-leitenden Schicht innerhalb der Aussparung zur Ausbildung des ersten Teiles des zweiten Emitterbereiches der zweiten Halbleiteranordnung unter Verwendung eines Epitaxialverfahrens,

d) Eindiffundieren eines n-leitenden Dotierungsmaterials in die gesamten Bereiche der freiliegenden Hauptfläche des zweiten Basisbereiches und der freiliegenden Oberfläche des ersten Teiles zur Herstellung des zweiten Emitterbereiches der ersten Halbleiteranordnung bzw. des zweiten Teiles,

e) Herstellen einer geschlossenen Nut auf der zweiten Oberfläche, wobei diese Nut bis an den zweiten Basisbereich heranreicht, um die zweite Halbleiteranordnung und die erste Halbleiteranordnung zu isolieren,

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f) Herstellen mehrerer Öffnungen zur Ausbildung von Nebenanschlüssen und g) Herstellen von Anodenelektrode, Kathodenelektrode und einem potentialfreien Kontakt auf der gemeinsamen ersten Hauptfläche der zweiten Hauptfläche der ersten Halbleiteranordnung und der zweiten Hauptfläche der zweiten Halbleiteranordnung.