CH678245A5

CH678245A5 -

Info

Publication number: CH678245A5
Application number: CH213389A
Authority: CH
Inventors: Friedhelm Dr Bauer; Jens Dr Gobrecht; Thomas Stockmeier
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1989-06-07
Filing date: 1989-06-07
Publication date: 1991-08-15
Also published as: DE4014207A1

Description

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CH 678 245 A5 CH 678 245 A5

2 2nd

Beschreibung description

TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft insbesondere ein bipolares, über ein Gate abschaltbares Leistungshalbleiter-Bauelement, umfassend The present invention relates to the field of power electronics. In particular, it relates to a bipolar power semiconductor component that can be switched off via a gate, comprising

(a) ein Halbleitersubstrat mit einer Kathode und einer Anode und einer dazwischen angeordneten, bipolaren Schichtstruktur; (a) a semiconductor substrate with a cathode and an anode and a bipolar layer structure arranged between them;

(b) auf der Kathodenseite eine für das An- und Abschalten des Bauelements vorgesehene Gate-Kathoden-Struktur mit einem Kathodengate, welches über erste Gateelektroden mît dem Halbleitersubstrat leitend verbunden ist, und einer Mehrzahl von mit der Kathode verbundenen, n+-dotierten n-Emittergebieten; und (b) on the cathode side a gate-cathode structure provided for switching the component on and off with a cathode gate which is conductively connected to the semiconductor substrate via first gate electrodes and a plurality of n + -doped n- connected to the cathode Emitter regions; and

(c) innerhalb der bipolaren Schichtstruktur eine schwach n-dotierte n-Basisschicht, (c) a weakly n-doped n base layer within the bipolar layer structure,

Ein solches Bauelement ist in der speziellen Ausgestaltung eines Feldgesteuerten Thyristors FCTh z.B. aus der US-PS 4 037 245 oder in der speziellen Ausgestaltung eines Gate-Turn-Off-Thyristors GTO z.B. aus der DE-C2 3 134 074 bekannt Such a component is in the special configuration of a field-controlled thyristor FCTh e.g. from US-PS 4 037 245 or in the special configuration of a gate turn-off thyristor GTO e.g. known from DE-C2 3 134 074

STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART

Bauelemente ohne isoliertes Gate wie der Gate Turn-Off-Thyristor GTO oder der Feldgesteuerte Thyristor FCTh (siehe dazu: H. Grüning et al., IEEE Int. Electron Dev. Meet. Techn. Dig. (1986), S.110-113) verfügen über ein niedrig dotiertes Basisgebiet, über welchem im Sperrfall die Spannung abfällt. Components without an insulated gate, such as the gate turn-off thyristor GTO or the field-controlled thyristor FCTh (see: H. Grüning et al., IEEE Int. Electron Dev. Meet. Techn. Dig. (1986), pp. 110-113 ) have a low-doped base area, over which the voltage drops in the event of blocking.

Je nach der Hohe der Sperrspannung, für die das betreffende Bauelement ausgelegt Ist, ist diese Basiszone mehr oder weniger dick. Bei den hier interessierenden Sperrspannungen von bis zu mehreren kV ergeben sich Basisdicken von etwa ein bis zu mehreren 100 um. Depending on the level of the reverse voltage for which the component in question is designed, this base zone is more or less thick. With the blocking voltages of up to several kV of interest here, base thicknesses of approximately one to several 100 μm result.

Im eingeschalteten Zustand ist das Basisgebiet stark von Elektronen und Löchern überflutet. Erst durch diese Überflutung wird der Widerstand des Bauelements im Durchlassbereich so klein, dass die anfallende Verlustleistung in Grenzen gehalten werden kann. When switched on, the base area is heavily flooded with electrons and holes. It is only through this flooding that the resistance of the component in the passband becomes so small that the power loss can be kept within limits.

Andererseits ist mit diesem Prinzip eine Reihe von Nachteilen verbunden, die sich besonders dann zeigen, wenn das Bauelement abgeschaltet werden soll: Um nämlich die volle Sperrspannung aufnehmen zu können, muss die gesamte Über-schussladung abgebaut werden. Dazu werden die Ladungsträger über das Gate abgeführt. Dies erfordert Gateströme in der Grössenordnung des Ab-schaltstroms, sodass ein sicheres Abschalten nur durch eine besondere Ausgestaltung der Gate-Ka-thoden-Struktur und eine besondere Auslegung des Gatekreises erreicht werden kann. On the other hand, this principle is associated with a number of disadvantages, which are particularly evident when the component is to be switched off: namely, in order to be able to absorb the full reverse voltage, the entire excess charge must be removed. For this purpose, the charge carriers are removed via the gate. This requires gate currents in the order of magnitude of the switch-off current, so that safe switch-off can only be achieved by a special configuration of the gate-cathode structure and a special design of the gate circuit.

Darüberhinaus entsteht bei noch nicht vollständig abgebauter Oberschussladung und bereits wiederkehrender Spannung eine Abschaitverlustlei- In addition, if the excess charge has not yet been completely removed and the voltage is already recurring, there is a loss of

stung, die das Bauelement abführen muss. Auch dies begrenzt die maximal möglichen Schaltfrequenzen. that the component must discharge. This also limits the maximum possible switching frequencies.

Schliesslich muss auch berücksichtigt werden, dass Löcher in der Abschaltphase bei den o.g. Bauelementen Auslöser für Phänomene wie den «Dynamic Avalanche» und/oder die Ausbildung von Stromfilamenten sein können. Finally, it must also be taken into account that holes in the shutdown phase in the above Components can trigger phenomena such as "dynamic avalanche" and / or the formation of current filaments.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bipolare, über ein nicht isoliertes Gate abschaltbare Leistungshalbleiter-Bauelemente zu schaffen, die mit geringeren Gateströmen auskommen und zugleich schnell und sicher abgeschaltet werden können. It is therefore an object of the present invention to provide bipolar power semiconductor components which can be switched off via a non-insulated gate and which manage with lower gate currents and at the same time can be switched off quickly and safely.

Die Aufgabe wird bei einem Bauelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass The object is achieved in a component of the type mentioned in that

(d) auf der Anodenseite eine Mehrzahl von mit der Anode verbundenen, p+-dotierten p-Emitterge-bieten angeordnet sind, welche in die n-Basisschicht hineinreichen und zur Unterstützung des Abschaltvorganges mit MOS-gesteuerten Emitterkurzschlüssen versehen sind. (d) a plurality of p + -doped p-emitter regions connected to the anode are arranged on the anode side, which reach into the n-base layer and are provided with MOS-controlled emitter short-circuits to support the switch-off process.

Derartige MOS-gesteuerte Emitterkurzschlüsse auf der Anodenseite sind prinzipiell für abschaltbare Bauelemente mit Isoliertem Gate wie den MOS-gesteuerten Thyristor MCT (siehe dazu: EP-B1 0 028 797 oder EP-A2 0 081 642) oder den Insuläted Gate Bipolar Transistor IGBT (siehe dazu: A. Na-kagawa, Power Electronics Specialists Conference PESC '88, S.84-90 (1988)) bereits bekannt. Such MOS-controlled emitter short-circuits on the anode side are in principle for disconnectable components with an insulated gate, such as the MOS-controlled thyristor MCT (see: EP-B1 0 028 797 or EP-A2 0 081 642) or the insulated gate bipolar transistor IGBT (see in addition: A. Na-kagawa, Power Electronics Specialists Conference PESC '88, p.84-90 (1988)) already known.

Allerdings werden bei diesen Bauelementen wegen des isolierten Gates die Ladungsträger beim Abschalten nicht über das Gate abgeführt. Der nur zur Ladung der Gatekapazität benötigte Gatestrom ist daher deutlich geringer als bei den Bauelementen ohne isoliertes Gate. However, due to the insulated gate, the charge carriers in these components are not discharged via the gate when they are switched off. The gate current required only for charging the gate capacitance is therefore significantly lower than for the components without an insulated gate.

Die schaltbaren Anodenkurzschlüsse beeinflussen in diesem Fall nicht so sehr den Gatestrom, sondern dienen vielmehr hauptsächlich dazu, die Abschaltzeit zu verkürzen. In this case, the switchable anode short circuits do not influence the gate current so much, but rather serve mainly to shorten the switch-off time.

Grundlage der vorliegenden Erfindung ist nun die Erkenntnis, dass derartige anodenseifrge MOS-gesteuerte Emitterkurzschlüsse bei Bauelementen mit nicht isoliertem Gate wesentlich die Grösse des Gatestroms beeinflussen und damit eine Vereinfachung und Verbesserung in der Ansteuerung ermöglichen. The basis of the present invention is now the finding that such anode-safe MOS-controlled emitter short circuits in components with a non-insulated gate have a significant influence on the size of the gate current and thus enable simplification and improvement in the control.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass A first embodiment of the invention is characterized in that

(a) die bipolare Schichtstruktur die Struktur eines Feldgesteuerten Thyristors FCTh ist; und (a) the bipolar layer structure is the structure of a field-controlled thyristor FCTh; and

(b) die ersten Gateelektroden mit p-dotierten Gatebereichen in Verbindung stehen, welche zwischen den n-Emittergebieten in die n-Basisschicht hineinreichen. (b) the first gate electrodes are connected to p-doped gate regions which extend into the n-base layer between the n-emitter regions.

insbesondere wird durch die verbesserte Steuerfähigkeit eine vereinfachte FCTh-Struktur ermöglicht, die sich dadurch auszeichnet, dass in particular, the improved controllability enables a simplified FCTh structure, which is characterized in that

(a) die Gate-Kathoden-Struktur planar ist; (a) the gate cathode structure is planar;

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(b) die n-Emittergebiete von der Oberfläche her in die n-Basisschicht hineinreichen; und (b) the n-emitter regions extend into the n-base layer from the surface; and

(c) die Gatebereiche ebenfalls von der Oberfläche her in die n-Basisschicht hineinreichen und zusammen mit den dazwischenliegenden Bereichen der n-Basisschicht feldgesteuerte Kanäle bilden. (c) the gate regions also extend from the surface into the n-base layer and, together with the regions in between of the n-base layer, form field-controlled channels.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass Another embodiment is characterized in that

(a) die bipolare Schichtstruktur die Struktur eines über ein Gate abschaltbaren Thyristors GTO ist; und (a) the bipolar layer structure is the structure of a thyristor GTO which can be switched off; and

(b) das Halbieitersubstrat auf der Kathodenseite eine p-dotierte p-Basisschicht aufweist, in welche die n-Emittergebiete von der Oberfläche her hineinreichen und welche zwischen den n-Emittergebieten mit den ersten Gateelektroden kontaktiert ist. (b) the semiconductor substrate has a p-doped p base layer on the cathode side, into which the n-emitter regions extend from the surface and which is in contact with the first gate electrodes between the n-emitter regions.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Further exemplary embodiments result from the dependent claims.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in connection with the drawing. Show it

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Bauelement nach der Erfindung in Form eines FCTh mit stufenförmiger Gate-Kathoden-Struktur und Langkanalsteuerung; Figure 1 shows a first embodiment of a device according to the invention in the form of an FCTh with step-shaped gate-cathode structure and long-channel control.

Fig. 2 die Löcherkonzentration in einem FCTh gemäss Fig.1 zu verschiedenen Zeitpunkten während des Abschaltens; 2 shows the hole concentration in an FCTh according to FIG. 1 at different times during the shutdown;

Fig. 3 ein zu Fig.1 vergleichbares Bauelement mit zusätzlicher Stoppschicht; 3 shows a component comparable to FIG. 1 with an additional stop layer;

Fig. 4 ein zu Fig. 1 vergleichbares Bauelement mit vertikalen MOS-Strukturen auf der Anodenseite; FIG. 4 shows a component comparable to FIG. 1 with vertical MOS structures on the anode side;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Bauelement nach der Erfindung in Form eines FCTh mit planarer Gate-Kathoden-Struktur und Kurzkanalsteuerung; und 5 shows a further exemplary embodiment of a component according to the invention in the form of an FCTh with a planar gate-cathode structure and short-channel control; and

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für ein Bauelement nach der Erfindung in Form eines GTO. Fig. 6 shows an embodiment for a component according to the invention in the form of a GTO.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

Die Vorgänge in einem Bauelement nach der Erfindung sollen im wesentlichen an dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert werden, welches von einem FCTh mit stufenförmiger Gate-Kathoden-Struktur ausgeht, wie sie beispielsweise von H. Grüning et al., IEEE Int. Electron Dev. Meet. Techn. Dig., S.110-113 (1986), beschrieben worden ist. The processes in a component according to the invention are to be explained essentially using the exemplary embodiment shown in FIG. 1, which is based on an FCTh with a stepped gate-cathode structure, as described, for example, by H. Grüning et al., IEEE Int. Electron Dev. Meet. Techn. Dig., P.110-113 (1986).

Bei diesem Bauelement ist in einem Halbieitersubstrat 1 zwischen einer Anode A und einer Kathode K eine dicke, n~-dotierte n-Basisschicht 7 angeordnet. Die n-Basisschicht 7 erstreckt sich bis in streifenförmige Kathodenfinger 6 hinein, die auf der Ka-thodenseite aus einer tieferliegenden Gateebene herausragen und durch Gräben 16 voneinander getrennt sind. In this component, a thick, n-doped n base layer 7 is arranged in a semiconductor substrate 1 between an anode A and a cathode K. The n-base layer 7 extends into strip-shaped cathode fingers 6, which protrude from a lower gate level on the cathode side and are separated from one another by trenches 16.

Auf der Oberseite der Kathodenfinger 16 sind in die n-Basisschicht 7 n+-dotierte n-Emittergebiete 4 eingelassen und durch Kathodenelektroden 2 kontaktiert, welche ihrerseits mit der Kathode K verbunden sind. On the top of the cathode fingers 16, n + -doped n-emitter regions 4 are embedded in the n-base layer 7 and contacted by cathode electrodes 2, which in turn are connected to the cathode K.

in die Wände und Böden der Gräben 16 sind p-do-tierte Gatebereiche 5 eingelassen, die zusammen mit den dazwischenliegenden Bereichen der n-Basisschicht 7 einen feldgesteuerten Langkanal bilden. Der Anschluss der Gatebereiche 5 an ein Kathodengate Gk erfolgt über erste Gateelektroden 3, die auf den Böden der Gräben 16 angebracht sind. p-doped gate regions 5 are embedded in the walls and bottoms of the trenches 16, which together with the regions in between of the n-base layer 7 form a field-controlled long channel. The gate regions 5 are connected to a cathode gate Gk via first gate electrodes 3, which are attached to the bottoms of the trenches 16.

Auf der Anodenseite ist im Halbleitersubstrat 1 eine Vielzahl von einzelnen p+-dotierten p-Emitterge-bieten 8 vorgesehen, die von der Oberfläche her in die n-Basisschicht 7 hineinreichen und durch eine gemeinsame, grossflächige Anodenmetallisierung 13 kontaktiert werden. On the anode side, a multiplicity of individual p + -doped p-emitter regions 8 are provided in the semiconductor substrate 1, which extend from the surface into the n-base layer 7 and are contacted by a common, large-area anode metallization 13.

Jedes p-Emittergebiet 8 ist mit MOS-gesteuerten Kurzschlüssen ausgestattet, die jeweils aus einem n+-dotierten n-Sourcegebiet 9, einem p-dotierten p-Kanalgebiet 10, der n-Basisschicht 7 und einer mittels einer Gateisolierung 11 isolierten zweiten Gateelektrode 12 bestehen. Die zweiten Gateelektroden 12 sind an ein gemeinsames Anodengate Ga angeschlossen. Each p-emitter region 8 is equipped with MOS-controlled short circuits, each of which consists of an n + -doped n-source region 9, a p-doped p-channel region 10, the n-base layer 7 and a second gate electrode 12 isolated by means of gate insulation 11 . The second gate electrodes 12 are connected to a common anode gate Ga.

Es ist wesentlich, in der Fig. 1 zu erkennen, dass durch Einschalten der MOS-gesteuerten Kurzschlüsse auf der Anodenseite, d.h. durch einen Kurzschluss der Anode, das dargestellte Bauelement vom Betrieb mit beidseitiger Injektion von Elektronen und Löchern in die n-Basisschicht 7 (bipolarer Stromtransport) in den Transistorbetrieb (Unijunction-Transistor, unipolarer Stromtransport) mit Elektronenfluss von der Kathode zur kurzgeschlossenen Anode wechselt. It is essential to recognize in Fig. 1 that by turning on the MOS controlled short circuits on the anode side, i.e. by short-circuiting the anode, the component shown changes from operation with bilateral injection of electrons and holes into the n-base layer 7 (bipolar current transport) to transistor operation (unijunction transistor, unipolar current transport) with electron flow from the cathode to the short-circuited anode.

Die Struktur der MOS-Anodenkurzschlüsse kann dabei so ausgeführt werden, dass die Löcherinjektion innerhalb weniger Nanosekunden vollständig unterbrochen wird. Für den Betrieb in Vorwärtsrichtung sind die Anodenkurzschlüsse natürlich nicht aktiviert. Dieser Mechanismus kann benutzt werden, um das Abschalten des Bauelements (im Fall der Fig. 1 des FCTh) zu verbessern. The structure of the MOS anode short circuits can be carried out in such a way that the hole injection is completely interrupted within a few nanoseconds. The anode short circuits are of course not activated for operation in the forward direction. This mechanism can be used to improve device shutdown (in the case of Figure 1 of the FCTh).

Es wird vorausgesetzt, dass der FCTh im Durch-lass betrieben wird, so dass das Basisgebiet (n-Basisschicht 7) hochgradig von Elektronen und Löchern überflutet ist. Es wird weiter vorausgesetzt, dass das Anodengate Ga zu einer Zeit T vor dem Aktivieren des Kathodengates Gk eingeschaltet wird. It is assumed that the FCTh is operated in the pass-through, so that the base region (n-base layer 7) is flooded to a high degree by electrons and holes. It is further assumed that the anode gate Ga is switched on at a time T before the cathode gate Gk is activated.

Während der Zeit T fliessen weiterhin Elektronen von der Kathode K zur Anode A; allerdings werden von der Anode A von dem Zeitpunkt an, in dem sie kurzgeschlossen wurde, keine Löcher mehr injiziert (voraussetzungsgemäss erfolgt ja der Kurzschluss der Anode A in wenigen Nanosekunden, also sehr schnell im Vergleich zum Ausräumprozess). Aus diesem Grunde klingt die Löcherdichte im Bauelement während der Zeitspanne T bereits ab, wie dies in Fig. 2 anhand der Löcherdichte Ch zwischen Kathode K und Anode A für vier aufeinanderfolgende Zeitpunkte 0, Ti, Tz und T3 innerhalb der Zeitspanne T dargestellt ist. During time T electrons continue to flow from cathode K to anode A; however, no more holes are injected from the anode A from the point in time when it was short-circuited (as long as the anode A is short-circuited in a few nanoseconds, i.e. very quickly compared to the removal process). For this reason, the hole density in the component already subsides during the time period T, as is shown in FIG. 2 using the hole density Ch between cathode K and anode A for four successive times 0, Ti, Tz and T3 within the time period T.

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Hieraus ergeben sich nun einige Vorteile zum Zeitpunkt des endgültigen Abschattens am Kathodengate Gk, also dann, wenn die Zeit T verflossen ist. Genau dann wird der Eiektronenfiuss von der Kathode unterbrochen. Die noch in der Basis vorhandenen Elektronen müssen nun nicht über den vergleichsweise langsamen Mechanismus der Rekombination vernichtet werden, sondern können schnell über die Inversionskanäle in den p-Kanalge-bieten 10 in die n-Sourcegebiete 9 abfliessen. This results in some advantages at the time of the final shading on the cathode gate Gk, that is, when the time T has passed. Then the electron flow is interrupted by the cathode. The electrons still present in the base do not now have to be destroyed by the comparatively slow mechanism of the recombination, but can quickly flow off into the n-source regions 9 via the inversion channels in the p-channel regions 10.

Dieser Prozess wird durch eine n-dotierte Stopp-schicht, deren Dotierung typischerweise im Bereich von 10ie bis 1017 cm-3 liegt, noch wesentlich verstärkt. Eine solche n-Stoppschicht 14 ist in der Ausführungsform gemäss Fig, 3 vorgesehen. This process is significantly enhanced by an n-doped stop layer, the doping of which is typically in the range from 10ie to 1017 cm-3. Such an n-stop layer 14 is provided in the embodiment according to FIG. 3.

Durch schaltbare Anodenkurzschlüsse und die n-Stoppschicht 14 kann der Abschaltvorgang noch schneller ablaufen und die hohen Abklingströme, welche ein Anzeichen für Ladungsträgerextraktion durch Rekombination sind, reduziert werden. Dies entspricht einer Verringerung der Abschaitverlu-ste. Switchable anode short circuits and the n-stop layer 14 enable the switch-off process to proceed even faster and the high decay currents, which are a sign of charge carrier extraction by recombination, to be reduced. This corresponds to a reduction in the loss due to shutdown.

Wie schon erwähnt wurde, ist die Löcherdichte an der Anode zum Zeitpunkt der Aktivierung des Kathodengates stark abgefallen. Desgleichen werden wegen des aktivierten Kurzschlusses bereits seit der Zeit T keine weiteren Löcher von der Anode A nachgeliefert. Wegen der reduzierten Löcherdichte kann der Einsatz des dynamischen Avalanche zu erheblich höheren Anodenstromdichten verschoben werden, was sich natürlich in einer Vergrösserung des SOA-Bereiches des Bauelements niederschlägt. As already mentioned, the hole density at the anode dropped sharply at the time the cathode gate was activated. Likewise, because of the activated short circuit, no further holes have been supplied by anode A since time T. Because of the reduced hole density, the use of dynamic avalanche can be shifted to significantly higher anode current densities, which of course results in an increase in the SOA area of the component.

Letztendlich ist insbesondere auch der Löcherstrom, welcher nach dem Aktivieren des Kathodengates noch über diesen Kontakt aus dem Bauelement fliesst, je nach Länge der Zeit T (bis zu einigen ps) und der Lebensdauer der Löcher (ebenfalls im Bereich von einigen |is) erheblich verringert worden (auf Werte von z.B. 20 bis 50% des normalen Abschalt-Gatestroms). Damit ist die Möglichkeit gegeben, das Bauelement in konventioneller Weise mit einer Abschaltstromverstärkung von grösser als eins zu betreiben. Ultimately, the hole current, which flows out of the component via this contact after the cathode gate has been activated, is considerably reduced depending on the length of time T (up to a few ps) and the service life of the holes (also in the range of a few is) (to values of, for example, 20 to 50% of the normal switch-off gate current). This enables the component to be operated in a conventional manner with a cut-off current gain greater than one.

Durch die Verringerung der Löcherdichte zum eigentlichen Abschaltzeitpunkt (Einschalten des Ka-thodengates Gk) erhält man ebenfalls einen Freiheitsgrad für das Design des Bauelements zurück. Es sind nämlich dann höhere Ladungsträger-Lebensdauern vertretbar, so dass weniger von den Methoden des «lifetime kiliing» Gebrauch gemacht werden muss. Dies bedeutet natürlich, dass der ON-Widerstand und damit die Durchlassverluste entsprechend verkleinert werden können. By reducing the hole density at the actual switch-off time (switching on the cathode gate Gk), one also gets back a degree of freedom for the design of the component. This is because longer charge carrier lifetimes are justifiable, so that less use is made of the “lifetime kiliing” methods. Of course, this means that the ON resistance and thus the forward losses can be reduced accordingly.

Es sei noch am Rande erwähnt, dass die Struktur gemäss Fig. 1 auch bidirektionale Eigenschaften besitzt. Wenn man Anode und Kathode vertauscht, entspricht die Struktur aus Kathode, MOS-Gates, n-Basisschicht 7 und n-Emittergebiet 4 einem Lei-stungs-MOSFET. Das ursprüngliche FCTh-Gate ist hierbei offen. Legt man dagegen das positive Anodenpotential an das ursprüngliche FCTh-Gate und lässt die n+-Anode offen, so ist eine lGBT-Struktur vorhanden. It should be mentioned in passing that the structure according to FIG. 1 also has bidirectional properties. If the anode and cathode are interchanged, the structure comprising the cathode, MOS gates, n base layer 7 and n emitter region 4 corresponds to a power MOSFET. The original FCTh gate is open. If, on the other hand, the positive anode potential is applied to the original FCTh gate and the n + anode is left open, an IGBT structure is present.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines FCTh weist planare MOS-gesteuerte Anodenkurzschlüsse auf. Wesentlich geringere MOS-Ka-nalwiderstände sind mit vertikalen MOS-Strukturen erzielbar. Dies ist wichtig für einen möglichst geringen ON-Widerstand im Betrieb als Unijunction-Transistor und hilft darüberhinaus, die Packaging-Probleme zu verkleinern. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Auch dieses Ausführungsbeispiel ist mit einer Stoppschicht gemäss Fig. 3 denkbar. The exemplary embodiment of an FCTh shown in FIG. 1 has planar MOS-controlled anode short circuits. Much lower MOS channel resistances can be achieved with vertical MOS structures. This is important for the lowest possible ON resistance when operating as a unijunction transistor and also helps to reduce the packaging problems. A corresponding exemplary embodiment is shown in FIG. 4. This exemplary embodiment is also conceivable with a stop layer according to FIG. 3.

In allen bisher beschriebenen Beispielen ist die gleiche Periodizität der Strukturen auf der Anqden-und Kathodenseite nur wegen der grösseren Übersichtlichkeit der Darstellung gewählt worden. Es sollte angestrebt werden, die Abmessungen der MOS-Kurzschiusszellen so klein wie' nur möglich zu machen (Grenzen setzen hierbei die verwendete Technologie und die Ausbeute). Im Bereich des Möglichen liegen derzeit Abmessungen von etwa 15|im für planare Kurzschluss-Strukturen und 6 um für Zellen mit vertikalen MOSFETs. In all the examples described so far, the same periodicity of the structures on the anode and cathode side has been chosen only because of the greater clarity of the representation. The aim should be to make the dimensions of the MOS short-circuit cells as small as possible (limits are set here by the technology used and the yield). Dimensions of around 15 μm for planar short-circuit structures and 6 μm for cells with vertical MOSFETs are currently in the possible range.

Wird das Bauelement in der angedeuteten Weise betrieben (Kurzschluss der Anode T Sekunden vor Einschalten des FCTh- oder Kathodengates), so kann bei hinreichend grossen Zeiten T erreicht werden, dass die Löcherdichte soweit reduziert ist, dass selbst mit pianaren FCTh-Strukturen ein ausreichender Durchgriff für das Kathodengate erreichbar ist. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel für einen pianaren FCTh ohne Stoppschicht ist in Fig. 5 wiedergegeben, wobei für einen verbesserten Kontakt am Kathodengate Gk unter den ersten Gateelektroden 3 zusätzliche p+-Gebiete 15 angeordnet sind. Selbstverständlich ist die gleiche Struktur auch mit einer Stoppschicht denkbar. Desweiteren kann die planare FCTh-Struktur der Fig. 5 ebenfalls mit vertikalen MOSFETs als Anodenkurzschlüssen ausgeführt werden. If the component is operated in the manner indicated (short-circuit of the anode T seconds before the FCTh or cathode gate is switched on), it can be achieved with sufficiently long times T that the hole density is reduced to such an extent that sufficient penetration is achieved even with pianar FCTh structures is accessible for the cathode gate. A corresponding exemplary embodiment for a pianar FCTh without a stop layer is shown in FIG. 5, additional p + regions 15 being arranged under the first gate electrodes 3 for improved contact at the cathode gate Gk. Of course, the same structure is also conceivable with a stop layer. Furthermore, the planar FCTh structure of FIG. 5 can also be implemented with vertical MOSFETs as anode short circuits.

Fig. 6 zeigt schliesslich als weiteres Ausführungsbeispiel einen GTO-Thyristor mit einer Anode, welche planare MOS-Strukturen enthält. Die Kathodenelektroden 2 kontaktieren hier n+-dotierte n-Emittergebiete 18, die in eine kathodenseitige, p-dö-tierte p-Basisschicht 17 hineinreichen, welche zwischen den n-Emittergebieten 18 mit den ersten Gateelektroden 3 versehen ist. 6 finally shows, as a further exemplary embodiment, a GTO thyristor with an anode which contains planar MOS structures. The cathode electrodes 2 contact here n + -doped n-emitter regions 18, which extend into a cathode-side, p-doped p-base layer 17, which is provided with the first gate electrodes 3 between the n-emitter regions 18.

Natürlich kann auch dieses Bauelement mit vertikalen MOSFETs auf der Anodenseite ausgeführt werden. Beide GTO-Varianten können wiederum eine zusätzliche Stoppschicht aufweisen. Of course, this component can also be designed with vertical MOSFETs on the anode side. Both GTO variants can in turn have an additional stop layer.

Insgesamt stehen mit der Erfindung bipolare, über ein nicht-isoliertes Gate abschaltbare Bauelemente zur Verfügung, die folgende Vorteile aufweisen: Overall, the invention provides bipolar components which can be switched off via a non-insulated gate and which have the following advantages:

- Betrieb mit einer Abschaltstrom-Verstärkung grösser 1 ; - Operation with a cut-off current gain greater than 1;

- Verringerung der Abschaltverluste durch Reduktion der Abklingströme; - Reduction of switch-off losses by reducing the decay currents;

- Verringerter ON-Widerstand dank höherer Lebensdauer; - Reduced ON resistance thanks to longer life;

- Verbesserte Stabilität gegen den dynamischen Avalanche. - Improved stability against the dynamic avalanche.

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Claims

1. Bipolar power semiconductor component that can be switched off via a gate, comprising

(a) a semiconductor substrate (1) with a cathode (K) and an anode (A) and a bipolar layer structure arranged between them;

(b) on the cathode side a gate-cathode structure provided for switching the component on and off with a cathode gate (Gk) which is conductively connected to the semiconductor substrate (1) via first gate electrodes (3) and a plurality of with the n + -doped n-emitter regions (4.18) connected to the cathode (K); and

(c) a weakly n-doped n base layer (7) within the bipolar layer structure; characterized in that

(d) on the anode side, a plurality of p + -doped p-emitter regions (8) connected to the anode (A) are arranged, which reach into the n-base layer (7) and to support the switch-off process with MOS control -th emitter shorts are provided.

2. Component according to claim 1, characterized in that

(a) the bipolar layer structure is the structure of a field-controlled thyristor FCTh; and

(b) the first gate electrodes (3) are connected to p-doped gate regions (5) which extend into the n-base layer (7) between the n-emitter regions (4).

3. Component according to claim 2, characterized in that

(a) the gate-cathode structure is step-shaped and comprises a plurality of cathode fingers (6) separated by trenches (16), into which cathode fingers (6) the n-base layer (7) extends;

(b) the gate areas (5) extend over the bottoms and walls of the trenches (16) and, together with the areas in between of the n-base layer (7), form field-controlled long channels; and

(c) extend the n-emitter regions (4) from the top of the cathode fingers (6) into the n-base layer (7).

4. The component according to claim 2, characterized in that

(a) the gate cathode structure is planar;

(b) the n-emitter regions (4) extend from the surface into the n-base layer (7); and

(c) the gate areas (5) also extend from the surface into the n-base layer (7) and form field-controlled channels together with the intermediate areas of the n-base layer (7).

5. The component according to claim 1, characterized in that

(a) the bipolar layer structure is the structure of a thyristor GTO which can be switched off; and

(b) the semiconductor substrate (1) has a p-doped p-base layer (17) on the cathode side, into which the n-emitter regions (18) of the

Reach in surface and which is in contact with the first gate electrodes (3) between the n-emitter regions (18).

6. Component according to one of claims 1 to S, characterized in that between the n-base layer (7) and the anode-side surface of the semiconductor substrate (1) compared to the n-base layer (7) more n-doped n- Stop layer (14) is provided.

7. The component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the MOS structures provided in the MOS-controlled emitter short circuits extend vertically into the semiconductor substrate (1).

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