DD147897A5

DD147897A5 - Dielektrisch isolierter hochspannungs-festkoerperschalter

Info

Publication number: DD147897A5
Application number: DD79217696A
Authority: DD
Inventors: Adrian R Hartmann; Joseph E Berthold; Terence J Riley; Peter W Shackle; Rae Alfred U Mac
Original assignee: Western Electric Co
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1979-12-14
Publication date: 1981-04-22
Also published as: NL7920184A; GB2049283B; SE8005703L; IE792474L; GB2049283A; IE48892B1; AU5386679A; PL220494A1; SE446139B; KR830001743A; CH659151A5; IN153497B; IL58970A0; IT7928206A0; JPS6412106B2; IL58970A; KR830002293B1; WO1980001337A1; IT1126603B; AU529702B2

Abstract

Ein Hochspannungs-Festkoerperschalter,der fuer den Wechselstrom und den Gleichstrombetrieb geeignet ist und eine Sperrung in zwei Richtungen ermoeglicht, besteht aus einem p-leitenden Halbleiterkoerper 16, der durch eine dielektrische Schicht 14 von einem Halbleitersubstrat 12 getrennt ist, wobei ein p+leitender Anodenbereich 18, ein n+leitender Katodenbereich 24 und ein n+leitender Torelektrodenbereich 20 auf einer gemeinsamen Hauptflaeche des Halbleiterkoerpers angeordnet sind. Ein zweiter p-leitender Bereich 22 mit einer groeszeren Stoerstellenkonzentration als der Halbleiterkoerper umgibt den Katodenbereich. Zu den Anoden-, Katoden- und Torelektrodenbereichen bestehen gesonderte niederohmige elektrische Kontakte.

Description

GZ: 12 725 57 Dielektrisch isolierter Hochspannungs-Festkörperschalter

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Diese Erfindung betrifft Festkörperstrukturen und insbesondere Hochspannungs-Festkörperstrukturen, die für Fernsprechvermittlungsschaltsysteme und viele andere Anwendungen geeignet sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

In einem Artikel mit der Überschrift "A Field Terminated Diode" (Eine Feldanschlußdiode) von Douglas E_# Houston u.a., der in IEEE Transactions on Electron Devices Band ED-23, Nr, 8, August 1976 veröffentlicht wurde, wird ein diskreter Hochspannungs-Festkörperschalter beschrieben, der eine vertikale Geometrie aufweist und einen Bereich umfaßt, der zur Schaffung eines AUS-Zustandes abgeschnürt oder mit Hilfe der Doppelladungsträgerinjektion stark leitend gemacht werden kann, um einen EIN-Zustand zu schaffen. Ein im Zusammenhang" mit diesem Schalter auftretendes Problem besteht darin, daß er nicht ohne weiteres integriert, d.h. mit anderen ähnlichen Schaltbauelementen auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden kann. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Abstand zwischen den Gittern und der Katode klein gehalten werden muß, um die Größe der Steuergitterspannung zu begrenzen. Dadurch wird jedoch der nützliche Spannungsbereich begrenzt, da die Gitter-Katoden-Durchschlagsspannung herabgesetzt wird. Durch diese Begrenzung wird die Anwendung der beiden antiparallelgeschalteten Bauelemente drastisch auf verhältnismäßig niedrige Spannungen begrenzt, wobei hier Antiparallelschaltung bedeutet, daß jeweils die Katode mit der Anode des anderen Bauelements gekoppelt ist« Eine derartige Doppelelementstruktur wäre als Hochspannungs-Festkörper-Zweirichtungsschalter sehr geeignet. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der

Basisbereich idealerweise stark dotiert sein muß, um ein Durchgreifen von der Anode zum Gitter zu verhindern; dies führt jedoch zu einer niedrigen Durchschlagsspannung zwischen Anode und Katode. Eine Verbreiterung des Basisbereichs bewirkt eine Begrenzung des Durchgreifeffektes, sie vergrößert jedoch auch den Widerstand der Bauelemente im EIN-Zustand.

Ziel der Erfindung :

Es wird ein Festkörperschalter angestrebt, der einfach integrierbar ist, so daß zwei oder mehrere Schalter gleichzeitig auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden können, wobei jeder Schalter in der Lage ist, verhältnismäßig hohe Spannungen in zwei Richtungen zu sperren.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel besteht aus einer Struktur, die einen Halbleiterkörper umfaßt, dessen Volumen von dem einen Leitfähigkeitstyp ist und der eine Hauptfläche besitzt, innerhalb welcher der Halbleiterkörper den örtlich begrenzten Anodenbereich des einen Leitfähigkeitstyps sowie den örtlich begrenzten Torelektroden- und Katodenbereich, die beide vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind, einschließt. Die Anoden-, Torelektroden- und Katodenbereiche sind voneinander entfernt und sind untereinander durch gesonderte Elektrodenanschlüsse verbunden; sie weisen im Vergleich zum "Bulk", dem Volumen des Halbleiterkörpers einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand auf. Die Struktur ist so beschaffen, daß während des Betriebs eine Doppelladungsträgerinjektion stattfindet, und sie ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß jeder der drei Bereiche einen Abschnitt besitzt, der einen Teil der Hauptfläche des Halbleiterkörpers bildet.

217696

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterkörper durch eine dielektrische Schicht vom Halbleiterträger getrennt und eine Vielzahl von diesen Halbleiterkörpern sind auf diesem Träger gebildet worden, die zumindest durch eine dielektrische Schicht voneinander getrennt sind.

Die erfindungsgemäße Struktur kann bei geeignetem Entwurf als ein Schalter betrieben werden, der gekennzeichnet ist durch einen niederohmigen Pfad zwischen Anode und Kathode, wenn er sich im EIN-Zustand (leitendem Zustand) befindet, und durch einen hochohmigen Pfad zwischen Anode und Katode, wenn er sich im AUS-Zustand (Sperrzustand) befindet. Das an den Torelektrodenbereich angelegte Potential bestimmt den Zustand des Schalters. Während des EIN-Zustandes findet eine Doppelladungsträgerinjektion statt, die bewirkt, daß der Widerstand zwischen Anode und Katode verhältnismäßig niedrig ist.

Diese Struktur, die als Diodentorschalter (GDS) bezeichnet werden kann, ist bei geeignetem Entwurf in der Lage, im AUS-Zustand verhältnismäßig große Potentialunterschiede zwischen Anoden- und Katodenbereich ungeachtet der Polarität zu sperren, und ist im EIN-Zustand in der Lage, verhältnismäßig große Strommengen bei verhältnismäßig niedrigen Spannungsabfällen zwischen Anode und Katode zu leiten.

Die Gruppenschaltungen dieser Diodentorschalter GDS können zusammen mit anderen Hochspannungs-Schaltbauelementen auf einem einzigen integrierten Schaltkreis-Chip hergestellt werden. Die Eigenschaft der Zweirichtungssperrung dieser Struktur erleichtert ihre Anwendung bei einem Zweirichtungsschalter, der aus zwei erfindungsgemäßen Strukturen gebildet wird, wobei die Katode der einen mit der Anode

-4- 2176

der anderen Struktur gekoppelt ist und die Torelektroden miteinander gekoppelt sind.

Ausführunqsbeispiele:

Diese und weitere neue Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung besser verständlich sein.

In der Zeichnung zeigen:

Fig, 1 eine Struktur in Obereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein vorgeschlagenes elektrisches Schaltkreissymbol für die Struktur gemäß Fig» 1;

Fig. 3 einen Zweirichtungsschaltkreis in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine Struktur in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ;

Fig. 5 eine Struktur in Übereinstimmung mit noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 6 eine Struktur in Obereinstimmung mit noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 eine Struktur in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 8 eine Draufsicht der Struktur gemäß Fig. 6.

In Fig, 1 wird eine Struktur IO dargestellt, die ein Trägerteil 12 vom n--Leitfähigkeitstyp mit einer Hauptfläche 11 und einem monokristallinen Halbleiterkörper 16, dessen Volumen vom p--Leitfähigkeitstyp ist und der vom Trägerteil durch eine dielektrische Schicht 14 getrennt ist, umfaßt.

Ein örtlich begrenzter Anodenbereich 18 vom p+-Leitfähigkeitstyp ist in den Halbleiterkörper 16 einbezogen und hat einen Abschnitt, der sich zur Hauptfläche 11 erstreckt. Ein örtlich begrenzter Torelektrodenbereich 20 vom n+-Leitfähigkeitstyp ist ebenfalls in den Halbleiterkörper 16 einbezogen und besitzt einen Abschnitt, der sich bis zur Hauptfläche 11 erstreckt. Ein örtlich begrenzter Katodenbereich 24 vom n+-Leitfähigkeitstyp ist in den Halbleiterkörper 16 einbezogen und besitzt einen Abschnitt, der sich bis zur Hauptfläche 11 erstreckt. Ein Beispiel 22, der vom p+-Leitfähigkeitstyp ist und einen Abschnitt hat, der sich bis zur Hauptfläche 11 erstreckt, umschließt den Bereich 24 und wirkt als Verarmungsschicht-Durchgreifabschirmung. Darüber hinaus verhindert er die Inversion der Abschnitte des Halbleiterkörpers 16 bei oder 'nahe der Hauptfläche 11 zwischen den Bereichen 20 und 24. Torbereich 20 befindet sich zwischen Anodenbereich 18 und Bereich 22 und ist von beiden durch Volumenabschnitte des Halbleiterkörpers 16 getrennt. Die spezifischen Widerstände der Bereiche 18, 20 und 24 sind im Vergleich zu jenen der Volumenabschnitte des Halbleiterkörpers 16 niedrig. Der spezifische Widerstand des Bereichs 22 liegt wertmäßig zwischen dem des Katodenbereichs 24 und dem des Volumenabschnitts des Halbleiterkörpers 16.

Die Elektroden 28, 30 und 32 sind Leiter, die einen niederohmigen Kontakt zu den Flächenabschnitten der Bereiche 18, 20 bzw. 24 herstellen. Eine dielektrische Schicht 26 bedeckt die Hauptfläche 11 und trennt auf diese Weise die Elektroden 28, 30 und 32 von allen Bereichen mit Ausnahme von jenen, zu denen eine elektrische Verbindung bestehen soll. Eine Elektrode 36 sorgt für einen niederohmigen Kontakt zum Träger 12 über einen stark dotierten Bereich 34, der vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Träger 12 ist.

Vorteilhafterweise sind der Träger 12 und der Halbleiterkörper 16 beide aus Silizium, und der Träger 12 kann entweder £- oder £-leitend sein» Vorteilhafterweise überlappen die Elektroden 28, 30 und 32 den Halbleiterbereich, zu welchem sie einen niederohmigen Kontakt herstellen. Die Elektrode 32 überlappt auch den Bereich 22. Dieses als "Field Plating" (Feldplattieren) bekannte Überlappen erleichtert den Hochspannungsbetrieb, da es die Spannung heraufsetzt, bei welcher der Durchschlag stattfindet. Die dielektrische Schicht 14 besteht aus Siliziumdioxid, und die Elektroden 28, 30, 32 und 36 bestehen alle aus Aluminium. Es kann auf Leitfähigkeiten zurückgegriffen werden, die zu den beschriebenen komplementär sind.

In einem gemeinsamen Träger 12 kann eine Vielzahl von gesonderten Halbleiterkörpern 16 gebildet werden, um eine Vielzahl von Schaltern zu schaffen. Bezeichnenderweise können Planarprozeßverfahren zur Herstellung vieler Bauelemente als eine integrierte Schaltung auf einer gemeinsamen Fläche Anwendung finden.

Struktur 10 wird gewöhnlich als ein Schalter betrieben, der durch einen niederohmigen Pfad zwischen Anodenbereich 18 und Katodenbereich 24 gekennzeichnet ist für den Fall, daß er sich im EIN-Zustand (im leitenden Zustand) befindet, und als ein hochohmiger Widerstand zwischen den beiden Bereichen, wenn er sich im AUS-Zustand (im Sperrzustand) befindet. Das an den Torelektrodenbereich 20 angelegte Potential bestimmt den Zustand des Schalters, Es kommt zur Stromleitung zwischen dem Anodenbereich 18 und dem Katodenbereich 24, wenn das am Torelektrodenbereich' 20 anliegende Potential kleiner ist als das am Anodenbereich 18 und Katodenbereich 24 anliegende Potential* Während des EIN-Zustandes werden vom Anodenbereich 18 aus Löcher in den Halbleiterkörper injiziert, und vom Katodenbereich 24 aus werden Elektronen

21769

in den Halbleiterkörper 16 injiziert. Diese Löcher und Elektronen können in hinreichender Zahl vorliegen und ein Plasma bilden, dessen Leitfähigkeit den Halbleiterkörper 16 moduliert. Dadurch wird der Widerstand des Halbleiterkörpers so herabgesetzt, daß der Widerstand zwischen dem Anodenbereich 18 und dem Katodenbereich 24 klein ist, wenn Struktur IO im EIN-Zustand betrieben wird. Diese Art von Betrieb wird als Doppelladungsträgerinjektion bezeichnet. Die hierin beschriebene Art von Struktur wird als Diodentorschalter (GDS) bezeichnet.

Der Bereich 22 unterstützt die Begrenzung des Durchgreifens einer Verarmungsschicht, die während des Betriebs zwischen dem Torelektrodenbereich 20 und dem Katodenbereich 24 gebildet wird und trägt dazu bei, die Bildung einer Oberflächeninversionsschicht zwischen diesen beiden Bereichen zu verhindern. Dies gestattet eine Verkleinerung des Abstandes zwischen dem Torelektrodenbereich 20 und dem Katodenbereich 24 und führt während des EIN-Zustandes zu einem verhältnismäßig kleinen Widerstand zwischen dem Anodenbereich 18 und dem Katodenbereich 22.

Substrat 12 wird gewöhnlich auf dem möglichst positivsten Potentialpegel gehalten. Die Stromleitung zwischen dem Anodenbereich 18 und dem Katodenbereich 24 wird verhindert oder unterbrochen, wenn das Potential des Torelektrodenbereichs 20 hinreichend positiver ist als das des Anodenbereichs 18 und des Katodenbereichs 24. Der Betrag, um welchen das Potential positiver sein muß, um die Stromleitung zu verhindern oder zu unterbrechen, ist eine Funktion der räumlichen Abmessungen und des Störstellenkonzentrationsgrads (Dotierungsgrad) der Struktur 10, Dieses positive Potential der Torelektrode verursacht eine Stromträgerverarmung des Abschnitts des Halbleiterkörpers 16 zwischen dem Torelektrodenbereich 20 und der dielektrischen Schicht 14, so daß das

-β- 217

Potential dieses Abschnitts des Halbleiterkörpers 16 positiver ist als das Potential des Anodenbereichs 18 und des Katodenbereichs 24. Dieser positive Potentialwall verhindert die Leitung von Löchern aus dem Anodenbereich 18 zum Katodenbereich 24. Er schnürt den Halbleiterkörper 16 im wesentlichen zur dielektrischen Schicht 14 im Volumenabschnitt (Sperrschichtabschnitt) zwischen Torelektrodenbereich 20 und dielektrischer Schicht 14 ab. Er dient ebenfalls der Ansammlung von im Katodenbereich 24 emittierten Elektronen, bevor diese den Anodenbereich 18 erreichen.

Während des EIN-Zustandes von Struktur 10 wird die Flächendiode, die den Halbleiterkörper 16 und den Bereich 20 umfaßt, in Durchlaßrichtung vorgespannt. Zur Begrenzung der Stromleitung durch die in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode werden vorzugsweise (nicht dargestellte) Strombegrenzungseinrichtungen einbezogen.

Ein vorgeschlagenes elektrisches Symbol für diese Art von Schalter wird in Fig. 2 dargestellt. Die Elektroden Anode, Tor und Katode des Diodentorschalters GDS werden durch die Anschlüsse 28, 30 bzw. 32 wiedergegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Struktur 10 wurde in der folgenden Art hergestellt. Das Trägerteil 12 ist ein ^-leitendes Siliziumsubstrat mit einer Dicke zwischen 0,457 und 0,559 mm,

13

mit einer Störstellenkonzentration von etwa 2 χ 10 Störstellen/cm und einem spezifischen Widerstand größer als 100 Ohm-Zentimeter. Die dielektrische Schicht 14 ist eine Siliziumdioxidschicht 14 mit einer Dicke von 2...4 Mikrometer, Der Halbleiterkörper 16 ist gewöhnlich 30...50 Mikrometer dick, etwa 430 Mikrometer lang, 300 Mikrometer breit und ist bei einer Störstellenkonzentration im Bereich von

13 3

etwa 5...9 χ 10 Störstellen/cm £-leitend. Der Anodenbe-

21769

bereich 18 is p+-leitend, gewöhnlich 2...4 Mikrometer dick, 44 Mikrometer breit, 52 Mikrometer lang und hat eine Stör-

19 3

Stellenkonzentration von etwa IO Störstellen/cm . Die Elektrode 28 besteht gewöhnlich aus Aluminium und hat eine Dicke von 1 1/2 Mikrometer, eine Breite von 84 Mikrometer und eine Länge von 105 Mikrometer. Der Bereich 20 ist n+-leitend und gewöhnlich 2.«.4 Mikrometer dick, 15 Mikrometer breit, 300 Mikrometer lang und weist eine Störstel-

19 3

lenkonzentration von etwa 10 Störstellen/cm auf. Die Elektrode 30 besteht aus Aluminium, ist 1 1/2 Mikrometer dick, 50 Mikrometer breit und 210 Mikrometer lang. Der Abstand zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 28 und 30 und zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 30 und 32 beträgt gewöhnlich in beiden Fällen 40 Mikrometer, Der Bereich 22 ist £-leitend und ist gewöhnlich 3...6 Mikrometer dick, 64 Mikrometer breit, 60 Mikrometer lang und hat

17 18

eine Störstellenkonzentration von etwa 10 ...10 Störstellen/cm . Der Katodenbereich 24 ist n+-leitend und ist gewöhnlich 2 Mikrometer dick, 48 Mikrometer breit und 44 Mikrometer lang und weist eine Störstellenkonzentration von

19 3

etwa 10 Störstellen/cm auf. Die Elektrode 32 besteht aus Aluminium, ist 1 1/2 Mikrometer dick, 104 Mikrometer breit und 104 Mikrometer lang. Der Abstand zwischen den Enden der Bereiche 18 und 22 und den betreffenden Enden des Bereiches 16 beträgt gewöhnlich 55 Mikrometer. Der Bereich 34 ist n+-leitend und gewöhnlich 2 Mikrometer dick, 26 Mikrometer breit, 26 Mikrometer lang und weist eine Störstellenkonzen-

19 3

tration von 10 Störstellen/cm auf. Die Elektrode 36 besteht aus Aluminium und ist 1 1/2 Mikrometer dick, 26 Mikrometer breit und 26 Mikrometer lang.

Die Struktur 10 mit den oben genannten Parametern wurde als Diodentorschalter (GDS) mit 500 Volt zwischen Anode und Katode betrieben. Eine (nicht dargestellte) Schicht aus Siliziumnitrid wird durch chemisches Aufdampfen auf die Siliziumdioxidschicht 26 aufgebracht, die wie eine Natriumsperrschicht wirken soll. Anschließend wurden die Elektro-

21769

den 28, 30, 32 und 36 gebildet, und daran anschließend wurde auf der gesamten Oberfläche der Struktur 10 mit Ausnahme an jenen Stellen, an welchen elektrische Kontakte hergestellt werden sollten, eine mittels Hochfrequenzplasma angelagerte (nicht dargestellte) Siliziumnitridschicht aufgebracht. Die Siliziumnitridschichten dienen der Verhinderung des Hochspannungsüberschlags in Luft zwischen benachbarten Elektroden,

Gewöhnlich wurde an die Anode eine Spannung von +250 Volt, an die Katode eine Spannung von -250 Volt und an das Substrat 12 eine Spannung von +280 Volt angelegt. An die Anode können auch -250 Volt und an die Katode +250 Volt angelegt werden. Auf diese Weise sperrt die Struktur 10 die Spannung zwischen Anode und Katode in zwei Richtungen. Ein an die Torelektrode 30 angelegtes Potential von +280 Volt unterbricht (sperrt) einen Stromfluß von 350 mA zwischen Anodenbereich 15 und Katodenbereich 24. Der EIN-Widerstand des Diodentorschalters GDS bei einem Stromfluß von 100 mA zwischen Anode und Katode beträgt etwa 15 Ohm, und der Spannungsabfall zwischen Anode und Katode beträgt gewöhnlich 2,2 Volt,

In Fig, 3 wird eine Zweirichtungsschalterkombination dargestellt, die zwei erfindungsgemäße Diodentorschalter (GDS und GDSa) mit Elektrode 28 (die Anodenelektrode von GDS), die elektrisch mit der Elektrode 32a (der Katodenelektrode von GDSa) verbunden ist, und Elektrode 32 (die Katodenelektrode von GDS), die elektrisch mit der Elektrode 28a (der Anodenelektrode von GDSa) verbunden ist, umfaßt. Diese Schalterkombination ist in der Lage, Signale von den Elektroden 28 und 32a zu den Elektroden 28a und 32 oder umgekehrt zu leiten. Die Eigenschaft der bilateralen Sperrung der Struktur 10 erleichtert diese Zweirichtungsschalterkombination. Zwei gesonderte Halbleiterkörper 16 können in

217

einem gemeinsamen Träger 12 gebildet werden, und es können geeignete elektrische Anschlüsse hergestellt werden, die es ermöglichen, den obenbeschriebenen Zweirichtungsschalter herzustellen. Es kann eine Vielzahl von gesonderten Halbleiterkörpern 16 in einem gemeinsamen Träger 12 zur Bildung einer Gruppe von Schaltern hergestellt werden.

In Fig, 4 wird eine Struktur 410 dargestellt, die der Struktur 10 sehr ähnlich ist, wobei alle im wesentlichen identischen oder im Vergleich zu jenen der Struktur 10 sehr ähnlichen Bauelemente durch dieselbe Bezugszahl unter Voransetzung einer "4" gekennzeichnet werden. Der Hauptunterschied zwischen Struktur 410 und 10 besteht darin, daß bei Struktur 410 der .Halbleiterbereich 22 gemäß Fig. 1 weggelassen wurde. Durch eine angemessene Vergrößerung des Abstandes des Bereichs 424 zum Bereich 420 wird ein hinreichender Schutz gegen ein Verarmungsschicht-Durchgreifen zum Bereich 424 gewährleistet und so der Einsatz der Struktur 410 als ein Hochspannungsschalter ermöglicht.

In Fig. 5 wird eine Struktur 510 gezeigt, die der Struktur 10 sehr ähnlich ist, wobei alle Bauelemente, die im wesentlichen die gleichen oder sehr ähnlich sind, mit derselben Bezugszahl unter Voransetzung einer "5" gekennzeichnet sind. Der Hauptunterschied zwischen Struktur 510 und Struktur 10 besteht in der Anwendung eines Halbleiterschutzringbereiches 524. Der durch die Strichlinie gekennzeichnete Abschnitt des Schutzringes 540 deutet darauf hin, daß er so erweitert werden kann, daß er Kontakt zum Katodenbereich 524 herstellt, Durch die Kombination des Bereichs 522 und des Schutzringes 540 wird ein Schutz gegen die Inversion der betreffenden Abschnitte des Bereichs 516 bei oder nahe der Fläche 511, und zwar besonders zwischen dem Torelektrodenbereich 520 und dem Katodenbereich 524 sowie ein Schutz gegen das Verarmungsschicht-Durchgreifen zum Katodenbereich 524 hin geschaffen. Der Schutzring 540 ist von

- 3.2 -

217696

der gleichen Leitfähigkeit wie der Bereich 522, er hat jedoch einen geringeren spezifischen Widerstand. Diese Art der Doppelschutzstruktur, die den Katodenbereich 524 umschließt, ist die bevorzugte Schutzstruktur.

Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen der Darstellung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung. Es sind verschiedene Modifikationen möglich, die mit dem Inhalt der Erfindung übereinstimmen. Zum Beispiel können die Trägerteile 12, 412 und 512 der beschriebenen Ausführungen auch aus p-leitendem Silizium, Galliumarsenid, Saphir, einem Leiter oder einem elektrisch inaktiven Material bestehen. Sind die Bereiche 12, 412 und 512 aus elektrisch inaktiven Materialien, so können die dielektrischen Schichten 14, 414 und 514 weggelassen werden. Des weiteren können die Halbleiterkörper 16, 416 und 516 als luftisolierte Strukturen hergestellt werden. Dies gestattet die Weglassung der Trägerteile 12, 412 und 512 und der dielektrischen Schichten 14, 414 und 514. Die Elektroden können aus dotiertem Polysilizium, Gold, Titan oder anderen Arten von Leitern bestehen. Des weiteren können die Störstellenkonzentrationsgrade, die Abstände zwischen verschiedenen Bereichen und weitere Abmessungen der Bereiche verändert werden, so daß sich wesentlich andere Betriebsspannungen und -ströme als die beschriebenen möglich sind. Anstelle des Siliziumdioxids können andere Arten von dielektrischem Material wie beispielsweise Siliziumnitrid verwendet werden. Der Leitfähigkeitstyp aller Bereiche innerhalb der dielektrischen Schicht läßt sich umkehren unter der Voraussetzung, daß die Spannungspolaritäten in einer auf diesem Fachgebiet hinlänglich bekannten Art entsprechend verändert werden. Es muß hervorgehoben werden, daß die erfindungsgemäße Struktur sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstrombetrieb gestattet«

21769

In Fig. 6 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit den Bezugszahlen in der 600er Reihe gezeigt, bei welchem der Halbleiterkörper 616 von der dielektrischen Schicht 614 durch eine Halbleiterzwischenschicht 638 getrennt ist, deren Leitfähigkeit vom entgegengesetzten Typ der Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers 616 ist. Die Elektroden 628, 630 und 632 sind Leiter, die einen niederohmigen Kontakt zu den Oberflächenabschnitten der Bereiche 618, 620 bzw. 624 herstellen. Die Hauptfläche 611 ist von einer dielektrischen Schichtt26 bedeckt, die die Elektroden 628, 630 und 632 von allen anderen Bereichen bis auf jene trennt, zu denen ein elektrischer Kontakt beabsichtigt ist. Die Elektrode 630 stellt hinter oder vor dem Halbleiterkörper 616 (nicht dargestellt) einen elektrischen Kontakt zum Bereich 638 an der Hauptfläche 611 her.

Die Schicht 638 kann so modifiziert werden, daß sie nur, wie durch Bereich 638a gezeigt, auf dem unteren Abschnitt des Halbleiterkörpers 16 vorhanden ist. Durch diese Modifikation wird ein (nicht dargestellter) geeigneter diffundierter Bereich bzw. ein Bereich mit implantierten Ionen zwischen der Hauptfläche 611 und der modifizierten Schicht 638a gebildet. Die Elektrode 630 würde sich zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes bis zu diesem Bereich auf der Oberfläche 611 erstrecken.

Die Schicht 638 dient der Abkapselung des Halbleiterkörpers 616 gegen die Eigenschaften der dielektrischen Schicht 614 und vereinfacht das Fertigungsverfahren in der Weise, daß die Toleranzen bei der Bildung der dielektrischen Schicht 14 etwas großzügiger sein können. Dadurch werden die Fertigungserträge vergrößert und die Kosten herabgesetzt. Darüber hinaus dient die Schicht 638 als ein unterer Torelektrodenbereich zur Herabsetzung des Torelektrodenpo-

- 14 - 9 \ 7- 69 &

tentials, das für die Verhinderung oder die Unterbrechung der Stromleitung zwischen dem Anodenbereich 618 und dem Katodenbereich 624 erforderlich ist. Die Verwendung nur eines Abschnittes 638a der Schicht 638 dient der Trennung des Halbleiterkörpers 616 vom Bereich 614 in dem Abschnitt des Halbleiterkörpers 616, der sich unterhalb des Bereichs 620 befindet. Dieser bestimmte Abschnitt des Halbleiterkörpers 616 ist der kritischste Abschnitt, da der Halbleiterkörper 616 im wesentlichen in diesem Abschnitt "abgeschnürt" wird, wenn die Struktur 610 im AUS-Zustand betrieben wird.

Die Schicht 638a bewirkt keine vollständige Trennung von der dielektrischen Schicht 14, aber sie reduziert das Torelektrodenpotential, das für die Abschaltung erforderlich ist, wobei die Durchschlagsspannung der Struktur dadurch im wesentlichen nicht beeinträchtigt wird. Die Schicht 638 sorgt für eine vollständige Trennung von der dielektrischen Schicht 614, sie setzt die Durchschlagsspannung der Struktur jedoch etwas herab. Bei Verwendung der Schicht 638 wird gewöhnlich die Dicke des Halbleiterkörpers 616 größer gewählt, um die Durchschlagsspannungen auf den vorbestimmten Pegeln beizubehalten.

Die Schicht 638 muß nicht unbedingt mit der Elektrode 630 direkt in Verbindung stehen, denn innerhalb der Schicht 626 befindet sich positive Ladung, die in der Nähe der Hauptfläche 611 des Halbleiterkörpers 616 zwischen der Schicht 638 und dem Torelektrodenbereich 620 eine Oberflächeninversionsschicht bildet, welche die beiden elektrisch koppeln kann. Selbst ohne die positive Ladung wird angenommen, daß infolge des Durchgreifens Elektrode 630 und Schicht 638 elektrisch gekoppelt sein können.

217694

In den Figuren 7 und 8 wird noch ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen Bezugszahlen in der 700er Reihe jenen der Fig. 1 entsprechen und bei welchem der Torelektrodenbereich 720 nicht zwischen dem Anodenbereich 718 und dem Katodenbereich 724 angeordnet ist. Die Struktur 710 ist so beschaffen, daß der Anodenbereich 18 und der Katodenbereich 724 verhältnismäßig dicht nebeneinander angeordnet werden können, um den Widerstand zwischen den beiden während des EIN-Zustandes (des leitenden Zustandes) zu vermindern. Ein Leiter 738, der wahlweise vorhanden ist, wird auf der Schicht 726 zwischen den Elektroden 728 und 732 angeordnet. Der Leiter 738 ist elektrisch mit der Elektrode 730 gekoppelt; er ist dafür bestimmt, die für den Betrieb der Struktur 710 erforderliche Torelektrodenspannung zu reduzieren; fü-r den Betrieb ist er jedoch nicht erforderlich«

Ein Ausführungsbeispiel der Struktur 710 wurde in folgender Weise gefertigt. Das Halbleiterplättchen (Substrat) ist ein η-leitendes Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 457,,.559 Mikrometer, mit einer Störstellenkonzentration

13 3

von etwa 5 χ 10 Störstellen/cm und es besteht aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ohm-Zentimeter, Die dielektrische Schicht 714 besteht aus Siliziumdioxid und ist gewöhnlich 2.,.4 Mikrometer dick. Der Halbleiterkörper 716 ist im allgemeinen 30,.,40 Mikrometer dick, etwa 430 Mikrometer lang, 170 Mikrometer breit, er ist p-leitend und besitzt eine Störstellenkonzentration von etwa 5.,,9 χ 10 Störstellen/cm , Der Anodenbereich 718 ist p+-leitend, gewöhnlich 2.,,4 Mikrometer dick, 28 Mikrometer breit, 55 Mikrometer lang und hat eine Störstellen-

19 3

konzentration von etwa 10 Störstellen/cm .Die Elektrode 728 besteht aus Aluminium, hat eine Dicke von 1 1/2 Mikrometer, eine Breite von 55 Mikrometer und eine Länge von 95 Mikrometer. Der Torelektrodenbereich· 720 ist n+-leitend, hat gewöhnlich eine Dicke von 2.,.4 Mikrometer, eine

Breite von 38 Mikrometer, eine Länge von 55 Mikrometer und

19 eine Störstellenkonzentration von etwa 10 Störstellen/ cm · Die Elektrode 730 besteht aus Aluminium, hat eine Dicke von 1 1/2 Mikrometer, eine Breite von 76 Mikrometer und eine Länge von 95 Mikrometer, Der Abstand zwischen den Kanten der benachbarten Elektroden 728 und 732 beträgt gewöhnlich 40 Mikrometer (wenn kein Leiter 738 vorgesehen ist) , und der Abstand zwischen den Kanten der benachbarten Elektroden 728 und 730 beträgt gewöhnlich 40 Mikrometer, Der Bereich 722 ist £-leitend und gewöhnlich 3,5 Mikrometer dick, 44 Mikrometer breit, 44 Mikrometer lang und hat eine Oberflächenstörstellenkonzentration von etwa 10 Störstellen/cm , Der Katodenbereich 724 ist n+-leitend, gewöhnlich 2 Mikrometer dick, 30 Mikrometer breit, 30 Mikrometer

19 lang und hat eine Störstellenkonzentration von etwa 10 Störstellen/cm , Die Elektrode 32 besteht aus Aluminium, ist 1 1/2 Mikrometer dick, 82 Mikrometer breit und 82 Mikrometer lang. Der Abstand zwischen den Enden der Elektroden 728 und 732 und den betreffenden Enden des p—leitenden Halbleiterkörpers 716 beträgt 50 Mikrometer, Der Leiterbereich 738 aus Aluminium ist von den Elektroden 728 und 732 30 Mikrometer entfernt angeordnet, er ist 10 Mikrometer breit, 1 1/2 Mikrometer dick und 75 Mikrometer lang. Der Leiterbereich 738 stellt vor oder hinter dem Bereich 16 einen elektrischen Kontakt zur Elektrode 730 her. Es muß hervorgehoben werden, daß bei dieser Ausführung der Abstand zwischen Katode und Anode beträchtlich vermindert ist,

Die Struktur 710 mit den oben angegebenen Parametern wurde als ein Diodentorschalter mit 400 Volt zwischen Anode und Katode betrieben. An die Anode wurden +200 Volt und an die Katode -200 Volt angelegt. Wie zuvor erwähnt, können auch -200 Volt an die Anode und +200 Volt an die Katode angelegt werden, um die Sperrung der Spannung in beiden Richtungen zu ermöglichen. Ist der Bereich 738 vorgesehen, ist für die Unterbrechung eines Stromflusses von 1 mA zwischen Anode

217695

und Katode ein Potential von +210 Volt erfahrungsgemäß ausreichend. Es wird eingeschätzt, daß diese Spannung um 20 Volt höher sein müßte, würde der Leiter 738 weggelassen. Der Widerstand des Diodentorschalters im EIN-Zustand bei einem Stromfluß von 100 mA zwischen Anode und Katode betrug etwa 10,.«12 Ohm, und der Spannungsabfall zwischen Anode und Katode betrug gewöhnlich 2,2 Volt. Es wurde durch chemisches Aufdampfen auf der Siliziumdioxidschicht 26 eine (nicht dargestellte) Siliziumnitridschicht aufgebracht, die wie eine Natriumsperrschicht wirken sollte. Anschließend wurden die Elektroden 728, 730, 732 und 736 gebildet und auf der gesamten Fläche der Struktur 710 wurde eine mittels Hochfrequenzplasma abgelagerte Siliziumnitridschicht (nicht dargestellt) aufgebracht, die mit dazu beitragen sollte, den Hochspannungsüberschlag in Luft zwischen benachbarten Elektroden zu verhindern«

Wie in Fig. 5 dargestellt, kann ein Schutzring Anwendung finden, der entweder den Katodenbereich 724 umgibt oder ihn einschließt und einen Kontakt zu diesem herstellt, oder es kann, wie in Fig. 4 dargestellt der Bereich 722 weggelassen werden, wenn der Anoden-Katoden-Abstand hinreichend groß ist«, Der Torelektrodenbereich 20 kann wie durch die Strichlinien gemäß Fig. 7 angegeben, rechts vom Katodenbereich angeordnet werden, oder aber vor oder hinter dem Halbleiterkörper 716, wie dies durch die Strichlinie gemäß Fig. 2 angegeben wird. Der Torelektrodenbereich 720 kann von der dielektrischen Schicht 714 getrennt sein oder; wie durch die Strichlinien gemäß Fig. 7 dargestellt, sich so weit erstrecken, daß er die dielektrische Schicht 714 berührt. Andere Modifikationen können, wie zuvor erwähnt, Anwendung finden.

Claims

217 Erfindunqsanspruch:

1« Festkörper-Schaltbauelement mit einem Halbleiterkörper, dessen Volumenabschnitt vom ersten Leitfähigkeitstyp ist, dessen erster Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp ist, dessen zweiter Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp d«h» von einem Leitfähigkeitstyp ist, der im Vergleich zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist -, und dessen Torelektrodenbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, wobei der erste, zweite und der Torelektrodenbereich durch Abschnitte des Volumenabschnitts voneinander getrennt sind, die spezifischen Widerstände des ersten, zweiten und des Torelektrodenbereichs geringer sind, als der spezifische Widerstand des Volumenabschnitts, wobei die Parameter des Festkörper-Schaltbauelementes so gewählt sind, daß bei Anlegen einer ersten Spannung an den Torelektrodenbereich ein Verarmungsbereich im Halbleiterkörper gebildet wird, der im wesentlichen den Stromfluß zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich verhindert, und daß bei Anlegen einer zweiten Spannung an den Torelektrodenbereich und bei Anlegen geeigneter Spannungen an den ersten und den zweiten Bereich durch Doppelladungsträgerinjektion ein verhältnismäßig niederohmiger Strompfad zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich aufgebaut wird, gekennzeichnet dadurch, daß der erste und der zweite Bereich und der Torelektrodenbereich jeweils eine Fläche auf einer ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers umfassen.

2, Schaltbauelement nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Torelektrodenbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist.

3, Schaltbauelement nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der zweite Bereich von einem dritten Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps umgeben ist, der jedoch einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist als der Volumenabschnitt,

21 769

4. Eine Vielzahl von Schaltbauelementen nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß diese alle in einem Halbleiterträger enthalten und dielektrisch voneinander getrennt sind.

5, Ein Paar von Schaltbauelementen nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Torelektroden des Paares miteinander verbunden sind und die ersten Bereiche jeweils mit dem zweiten Bereich des anderen Schaltbauelementes verbunden sind, um somit einen Zweirichtungsschalter gemäß Fig. zu schaffen.

6. Schaltbauelenient nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Vielzahl von Halbleiterkörpern durch eine dielektrische Schicht getrennt ist und durch ein Trägerteil getragen wird, wobei der Trägerteil und die Halbleiterkörper aus Silizium bestehen und ein Kontaktbereich im Trägerteil enthalten ist.

7, Schaltbauelement nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Torelektrodenbereiche des ersten und des zweiten Halbleiterkörpers miteinander verbunden sind, der erste Bereich des ersten Halbleiterkörpers mit dem zweiten Bereich des zweiten Halbleiterkörpers verbunden ist und der erste Bereich des zweiten Halbleiterkörpers mit dem zweiten Bereich des ersten Halbleiterkörpers verbunden ist (Fig. 3),

8. Schaltbauelement nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Halbleiterkörper im Trägerteil angeordnet und vom Trägerteil durch eine dielektrische Schicht getrennt ist.

217

9, Schaltbauelement nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Halbleiterkörper einen vierten Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps zwischen dem Volumenabschnitt und der dielektrischen Schicht umfaßt.

10« Schaltbauelement nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß der vierte Bereich mit dem Torelektrodenbereich verbunden ist.

11, Schaltbauelement nach Punkt 10, gekennzeichnet dadurch, daß der zweite Bereich von einem dritten Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps umgeben ist, jedoch einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist als der Volumenabschnitt,

12» Schaltbauelement nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß der vierte Bereich ausschließlich in dem Bereich des Halbleiterkörpers angeordnet ist, der sich zwischen dem Torelektrodenbereich und der dielektrischen Schicht befindet.

13. Schaltbauelement nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß der vierte Bereich im wesentlichen längs des gesamten Bereichs des Halbleiterkörpers angeordnet ist, der von der dielektrischen Schicht begrenzt wird.

14, Schaltbauelement nach Punkt i, gekennzeichnet dadurch, daß der erste und der zweite Bereich durch einen Teil des Volumenabschnitts getrennt sind, und der Torelektrodenbereich auf einem Teil der Hauptfläche angeordnet ist, wobei es sich hierbei um einen anderen Teil als den handelt, der den ersten und den zweiten Bereich trennt.

21769&

15, Schaltbauelement nach Punkt 14, gekennzeichnet dadurch, daß ein Leiter, der elektrisch mit dem Torelektrodenbereich gekoppelt ist, zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist.

16« Schaltbauelement nach Punkt 14, gekennzeichnet dadurch, daß der Volumenabschnitt von einem Halbleiterträgerteil durch eine dielektrische Schicht getrennt ist.

17» Schaltbauelement nach Punkt 16, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Halbleiterträgerteil ein Kontakt zu einer von diesem entfernten Elektrode besteht, die 'dafür vorgesehen ist, mit der positivsten Spannung des Schaltbauelementes vorgespannt zu werden.

18, Schaltbauelement nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Leitfähigkeit des Halbleiterkörper-Volumenabschnittes, der erste Bereich und der zweite Bereich, der dritte Bereich und der Torelektrodenbereich ρ-, ρ+, η+, ρ bzw. n+ leitend sind.

19_# Schaltbauelement nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß der dritte Bereich den zweiten Bereich umgibt, ihn aber nicht berührt.

2O_# Schaltbauelement nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß der zweite Bereich den dritten Bereich berührt und innerhalb desselben angeordnet ist.

Hierzu_3_Seiten Zeichnungen