DE1514520B1 - Steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Steuerbares Halbleiterbauelement

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DE1514520B1 DE1965S0098547 DES0098547A DE1514520B1 DE 1514520 B1 DE1514520 B1 DE 1514520B1 DE 1965S0098547 DE1965S0098547 DE 1965S0098547 DE S0098547 A DES0098547 A DE S0098547A DE 1514520 B1 DE1514520 B1 DE 1514520B1
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Description

1 2
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Dotierungskonzentration in den einzelnen Schichten
steuerbares Halbleiterbauelement mit einem ein- in der Richtung senkrecht zur Schichtenfolge;
kristallinen Siliziumkörper mit vier Schichten ab- Fig. 4 veranschaulicht die Abhängigkeit der
wechselnden Leitungstyps, dessen erste Innenschicht Sperrfähigkeit eines Thyristors von der Dicke und eine über die ganze Dicke nahezu konstante Dotie- 5 dem spezifischen Widerstand der ersten n-leitenden
rungskonzentration hat, die niedriger ist als die Innenschicht; in den
Dotierungskonzentrationen in der zweiten Innen- F i g. 5 und 6 sind die Konzentrationen der La-
schicht und in den beiden Außenschichten, und dungsträger im Durchlaßzustand des Thyristors bei
dessen an die erste Innenschicht angrenzende Schich- hohen Injektionen dargestellt, und in der ten einen symmetrischen, von der ersten Innenschicht io Fig. 7 ist die Abhängigkeit der Durchlaßspannung
um mehrere Zehnerpotenzen ansteigenden Verlauf von der Lebensdauer der Ladungsträger aufge-
aufweisen und dessen zweite Außenschicht und ein zeichnet.
äußerer Teilbereich der ersten Außenschicht eine In der Fig. 1 bezeichnet 2 eine erste beispielshohe Dotierungskonzentration von etwa 1018 cm~3 weise η-leitende Innenschicht, deren Dotierungskonauf weist. i5 zentration im Vergleich zu allen anderen Schichten Ein solches Halbleiterbauelement ist bereits in den niedrigsten Wert hat und über die ganze Schichteiner öffentlichen Druckschrift beschrieben worden. dicke nahezu konstant ist. An diese erste Innen-Dieses Halbleiterbauelement ist für eine Sperrspan- schicht schließt sich an der einen Flachseite eine nung von 1500 bis 2000 V ausgelegt. Die Dicke der zweite p-leitende Innenschicht 3 an und auf der ersten Innenschicht beträgt bei dem beschriebenen ao gegenüberliegenden Flachseite eine weitere p-leitende Halbleiterbauelement 150 μ, und die Dotierung be- Schicht 4, die einen inneren Teilbereich einer trägt 2 · 1014 cmr3. Der Druckschrift läßt sich jedoch p-leitenden Außenschicht bildet. Diese beiden weder entnehmen, wie hoch die in Durchlaßrichtung Schichten 3 und 4 können nach verschiedenen beabfallende Spannung ist, noch welche Maßnahmen kannten Verfahren hergestellt sein, bei einem solchen Halbleiterbauelement zu treffen as Beispielsweise kann auf beiden Seiten eines sind, um diese Spannung möglichst gering zu halten. scheibenförmigen einkristallinen Siliziumkerns 2 vom Es ist zwar aus weiteren Druckschriften bekannt, η-Typ weiteres Silizium vom p-Typ durch pyrolydaß zwischen hoher Sperrspannung einerseits und tische Zersetzung und Abscheidung aus einer gasgeringer Durchlaßspannung andererseits Kompro- förmigen Siliziumverbindung, z. B. SiHCI3 oder misse bei der Bemessung und Dotierung eines solchen 30 SiCl4, unter Mitwirkung eines Träger- und Reak-Halbleiterbauelementes erforderlich sind, aber auch tionsgases, z. B. H2, einkristallin niedergeschlagen diesen Druckschriften ist jedoch nicht zu entnehmen, und dadurch der scheibenförmige Kern 2 um die •welche konkreten Maßnahmen dafür zu treffen sind. Schichten 3 und 4 verdickt werden. Ein solcher Ab-Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Scheidungsvorgang, der auch unter der Bezeichnung für ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten 35 »Epitaxie« bekannt ist, ermöglicht es, durch willkür-Gattung diejenigen konkreten Maßnahmen anzu- liehe Veränderung der zugesetzten Mengenanteile geben, mit deren Hilfe sich ein solches Halbleiter- an Dotierungsstoff während des Niederschiagens bauelement mit einer möglichst hohen Sperrfähigkeit einen entsprechenden Verlauf der Konzentration -erzielen läßt, dessen Durchlaßspannung aber den- über der Scheibendicke zu erzielen. Nach demselben noch keine zu hohen Werte annimmt. 40 Verfahren kann auch die noch fehlende vierte Schicht Die Erfindung besteht darin, daß die erste Innen- aufgebracht werden, indem dem zu zersetzenden -schicht 200 bis 300. μ dick ist und daß ihre Dotie- Gasgemisch eine Donatorsubstanz beigemengt wird, -rangskonzentration 2,5 · 1013 bis 1,5-1014 cm~3 be- so daß diese äußere Schicht n-Ieitend wird, trägt nod daß die Diffusionslänge bei hohen Injek- Gebräuchlich ist es auch, durch allseitige Eintionen, entsprechend einem Stromdichtebereich von 45 diffusion von Akzeptoren in einen n-leitenden TO Ms 20Ό A/cm2, größer als ein Viertel der Dicke W scheibenförmigen Siliziumeinkristall eine äußere ■des "bei Stromdurchgang in Durchlaßrichtung von Schicht in p-Typ umzuwandeln, so daß nach Entinjizterten Ladungsträgern überschwemmten Mittel- fernen des Scheibenrandes eine pnpn-SchichtenfoIge ge"bietes ist, -welches einerseits von dem hochdotierten entstanden ist, deren erste η-leitende Innenschicht 2 äußeren Teilbereich der an die erste Innenschicht 50 von dem unverändert gebliebenen Kern des Silizium- ;anschließenden ersten Außenschicht, andererseits einkristalle gebildet wird, an dessen beiden Flach-•von der hochdotierten, an die zweite Innenschicht Seiten sich die p-leitenden Schichten 3 und 4 ananschließenden zweiten Außenschicht begrenzt ist schließen. Im Gegensatz zum Abscheidungsverfahraid den schwächer dotierten inneren Teilbereich ren, mit dem jedes gewünschte Konzentrationsprofil •der ersten ÄuBenschicht sowie die erste und die 55 hergestellt werden kann, ist das Diffusionsverfahren zweite Innenschicht umfaßt. an die Gesetzmäßigkeit der Diffusion gebunden. Ein ÄusfühsKongsbeispiel eines steuerbaren Halb- Durch Verändern der Diffusions-Parameter und leitefbauelements nach der Erfindung, und zwar durch Verwenden mehrerer Dotierungssubstanzen eines Thyristors, dessen erste Innenschicht vom mit unterschiedlichen Diffusionskonstanten kann je-■n-leitenden Typ sein möge, sowie seine vorteilhaften 60 doch der Konzentrationsverlauf auch beeinflußt Ausführungsmöglichkeiten werden an Hand der werden.
'Zeichnung erläutert. In der Die η-leitende Außenschicht 5 kann außer nach
Fig. 1 ist einThyristor im Querschnitt schematisch dem Epitaxialverfahren auch durch Einlegieren
■dargestellt; eines Donatoren bildenden Metalls erzeugt sein.
Fig. 2 veranschaulicht die Schichtenfolge des 65 Vorteilhaft wird dazu eine Goldfolie mit etwa l°/o
Thyristors und zeigt die Festlegung der Ortskoordi- Antimongehalt verwendet. Nach Erhitzen bis über
nate in der Richtung senkrecht zur Schichtenfolge; die eutektische Temperatur (etwa 370° C) hinaus auf
Flg.3 zeigt ein Schaubild des Verlaufes der etwa 700° C ist bei der Abkühlung eine Rekristalli-
3 4
sationsschicht 5 entstanden, die eine hohe Donatoren- angelegt, bewirkt, daß das Raumladungsgebiet sich konzentration aufweist und als η-Emitter bezeichnet über eine der benachbarten Schichten vollständig wird. Die aus einem Eutektikum bestehende Gold- ausbreitet, im vorliegenden Beispiel über die Siliziumlegierung bildet die Kontaktelektrode 6 des η-leitende Innenschicht 2. Bei der Breakdownspann-Emitters. Ihre Gestalt und Dicke nach dem voll- 5 nung wird die elektrische Feldstärke am pn-übergang ständigen Einlegieren der Goldfolie sind durch deren so groß, daß Überschläge stattfinden. Sie ist von der ursprüngliche Gestalt und Dicke eindeutig bestimmt. Dotierungskonzentration in der Nachbarschaft des Sie sei beispielsweise ringförmig. Auch die Rekristalli- pn-Überganges abhängig, in dem vorliegenden Beisationsschicht 5 hat infolgedessen Ringform. Eine spiel also von der Dotierungskonzentration in der Ringform kann auch mit einem der beschriebenen io η-leitenden Innenschicht 2 und den benachbarten Epitaxialverfahren erhalten werden. In der Ring- p-leitenden Schichten 3 und 4. Eine vorteilhafte Ausöffnung reicht die zweite, p-leitende Innenschicht 3 führungsform von Thyristoren besteht darin, daß bis an die Kristalloberfläche. Dort ist sie sperrfrei diese p-leitenden Schichten vom inneren pn-Überkontaktiert, z. B. durch Einlegieren einer borhaltigen gang X2 nach außen einen Anstieg der Dotierungs-Goldfolie. Die von dieser mit einer entsprechenden 15 konzentration um mehrere Zehnerpotenzen aufbenachbarten Siliziummenge gebildete Legierung weisen, der die Sperrfähigkeit in dem Sinne beeinhat eine verhältnismäßig kleinflächige Basiselektrode? fiußt, daß mit abnehmendem Gradienten der Dotieerzeugt, die zum Steuern des Thyristors dient. Auf rungskonzentration die Breakdownspannung zuder gegenüberliegenden Flachseite des scheibenför- nimmt. In dem vorliegenden Beispiel steigt der Konmigen Einkristalls ist in die p-leitende Außenschicht 4 20 zentrationswert in dem inneren Teilbereich 4 der ein Akzeptoren bildendes Metall, beispielsweise eine p-leitenden Außenschicht 4, 8 in der Nähe des pn-Aluminiumfolie, einlegiert, die vorzugsweise die Überganges X2 nach außen hin etwa exponentiell an, ganze Scheibenfläche bedeckt. Dabei ist eine hoch- und zwar sei die Strecke, über welcher die Akzepdotierte p-leitende Rekristallisationsschicht 8 ent- torenkonzentration um den Faktor e = 2,7 ... anstanden, die einen äußersten Teilbereich der p-leiten- 25 steigt, 7 bis 13 μ. Ein Wert von 10 μ ergibt den in den Außenschicht 4, 8 bildet und von einer Kon- der F i g. 4 eingezeichneten Verlauf der Grenztaktelektrode 9 bedeckt ist, die aus einer eutektischen geraden UB der Breakdownspannung.
Aluminium-Silizium-Legierung besteht. Wie aus der F i g. 4 zu entnehmen ist, ist die
Die Schichten 8 und 4 bilden zusammen den Sperrfähigkeit um so höher, je größer man die Dicke
p-Emitter. Mit dem vorteilhaft in einem einzigen 30 Wn der η-leitenden Innenschicht 2 wählt. Wie weiter
Arbeitsgang vollzogenen Einlegieren der Kontakt- unten näher erläutert wird, erscheint es jedoch zu-
elektrode 6 des η-Emitters, der Basiskontaktelek- nächst nicht sinnvoll, über 300 μ hinauszugehen,
trode 7 und der Kontaktelektrode 9 des p-Emitters weil sonst die Durchlaßspannung, die für die in dem
kann ferner zugleich an der letzteren eine Molybdän- Thyristor entstehende Verlustleistung entscheidend
scheibe 10 mit anlegiert sein. 35 ist, unerwünscht groß werden würde. Für einen Wert
In der F i g. 2 ist die pnpn-Schichtenfolge des der Dicke Wn von 200 bis 300 μ wird vorteilhaft ein
Thyristors in einem Schema verdeutlicht. spezifischer Widerstand ρη zwischen 40 und
Die Fig. 3 zeigt das zugehörige Konzentrations- 120 Ohm/cm gewählt.
profil über der senkrecht zur Schichtenfolge ver- Diese Überlegungen über die Sperrfähigkeit gelten laufenden Ortskoordinate als Abszisse. Die n-leitende 40 für beide an die η-leitende Innenschicht 2 angrenzen-Innenschicht 2 hat eine möglichst gleichmäßige den pn-Übergänge X2 und X3, also sowohl für die Dotierungskonzentration von etwa 5 · 1013 cm~3 und Sperrfähigkeit in Sperr- als auch für die in Kippeine Dicke Wn. Zu ihren beiden Seiten schließen sich richtung. Infolgedessen ist es vorteilhaft, wenn die über den pn-übergang X2, der bei Belastung des Akzeptorenkonzentration in den beiden p-leitenden Thyristors in Sperrichtung sperrt, bzw. den pn-Über- 45 Schichten 3 und 4 symmetrisch zueinander verläuft, gang X3, der die Sperrung in Kipprichtung bewirkt, wie in der Fig. 4 dargestellt.
die p-leitenden Schichten 3 und 4 an, in denen die Einer weiteren Erhöhung der Sperrfähigkeit durch
Akzeptorenkonzentration in der Nähe der pn-Über- Vergrößern der Schichtdicke Wn über 300 μ hinaus
gängeX2 und -Sf3 bei einem Ausgangswert von etwa steht nun eine unzulässige Erhöhung der für die in
5 · 1013 cm~3 beginnt und nach außen um mehrere 50 dem Thyristor bei gegebener Stromstärke entstehen-
Zehnerpotenzen, beispielsweise bis auf einen Wert den Verlustleistung entgegen. Denn im Durchlaß-
von etwas mehr als 1017 cm~3 ansteigt, der am zustand muß das Mittelgebiet W, das die p-leitende
pn-übergang X1 bzw. an der Grenze Z4 zu dem Innenschicht 3, die η-leitende Innenschicht 2 und
äußeren Teilbereich 8 erreicht ist. den schwächer dotierten inneren Teilbereich 4 der
Im folgenden sollen die Gesichtspunkte für die 55 p-leitenden Außenschicht 4, 8 umfaßt, von den
Wahl der Schichtdicken sowie der Höhe und des Ladungsträgern beider Polaritäten überschwemmt
Verlaufes der Dotierungskonzentration in den ein- sein. Als Quellgebiete der Ladungsträger dienen der
zelnen Schichten zur Erzielung optimaler Durchlaß- ρ- und der η-Emitter. Es würden daher zu niedrige
und Sperrwerte näher erläutert werden. Dotierungskonzentrationen in diesen Quellgebieten
In der F i g. 4 ist die Sperrfähigkeit von Thyristoren 60 zu mangelhafter Überschwemmung und damit zu
mit einer gleichmäßig dotierten η-leitenden Innen- unerwünscht hoher Durchlaßspannung führen. Aus
schicht in Abhängigkeit des spezifischen Wider- diesem Grunde wird die Dotierungskonzentration in
Standes Qn und der Dicke Wn dieser Innenschicht der η-leitenden Außenschicht 5 etwa 1018 cm~3 oder
dargestellt. Ferner sind die Grenzgeraden für die höher gewählt. Eine ähnliche hohe Konzentration
zugehörigen Punch-through-Spannungen UP sowie 65 wird zweckmäßig in dem äußeren Teilbereich 8 der
die Breakdownspannung UB eingezeichnet. Unter p-leitenden Außenschicht 4, 8 hergestellt. Für die
Punch-through-Spannung UP wird die Spannung ver- Herstellung der hohen Konzentrationswerte in den
standen, die, an einen pn-übergang in Sperrichtung beiden äußeren Gebieten können die bekannten
Legierungs- oder Epitaxialverfahren verwendet werden.
Die hohe Dotierung außerhalb des Mitteigebiets 3, 2, 4 reicht aber allein .nicht für eine ausreichende Überschwemmung des Mittelgebietes 3, 2, 4 und damit für eine genügend niedrige Dürchlaßspannung aus, sondern die Ladungsträger müssen Vermöge des Wertes ihrer Diffusionslänge L — die angibt, über welcher Strecke die Ladungsträger einer Polarität in einem Diffusionsstrom in Stromrichtung um den Faktor e == 2,7 .... abnehmen und die für hohe Injektionen für beide Ladungsträgerarten eine gemeinsame Größe ist — in der Lage sein, das ganze Mittelgebiet W gleichmäßig zu überschwemmen. Was dies bedeutet, ist in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht, in denen die Ladungsträgerkonzentrationen in den verschiedenen Schichten über deren Dicke als Abszisse aufgetragen sind, und zwar in der Fig. 5 für eine große und in der Fi g. 6 für eine, kleine Diffusionslänge. In der F i g. 6 ist in dem Mittelgebiet, dessen Dicke W das Siebenfache der Diffusionslänge L beträgt, eine "deutliche Abnahme der Ladungsträger festzustellen.
In der Fig. 7 ist für vier Thyristoren mit. verschiedener Dicke Wn der η-leitenden Innenschicht 2, aber sonst gleichen "Dotierungskonzentratiorien und Flächengrößen, die Abhängigkeit der Durchlaßspannung UD von der Diffusionslänge L bzw. der Lebensdauer τ der Ladungsträger dargestellt. Die Dicke der überschwemmten p-leiteiiden Schichten 3 und 4 ist dabei zu je 50 μ angenommen, so daß die Dicke W um 100 μ größer als Wn ist. Die Kurven gelten für eine Stromdichte von 200 A/em2 r bezogen auf die Fläche, des kleineren von den beiden Emittern, also bei dem Thyristor nach der Fig. 1 des n-Emitters 5. Man erkennt, daß die Durchlaßspannung um so höher ist, je geringer unter sonst gleichen Umständen die Diffusionslänge L der Ladungsträger ist. Es ist ferner ersichtlich, daß bei gegebener Diffusionslänge die Durchiaßspanmmg um so höher ist, je dicker die η-leitende Innenschicht 2 bzw. das Mittelgebiet 3, 2, 4 ist. Besonders stark wird aber die Zunähme der DurcMaßspannung UD, wenn die Dicke W des Mittelgebietes 3, 2, 4 etwa das Vierfache der Diffusionslänge übersteigt. Man ist daher in der Wahl der Dicke Wn bzw. W durch die Diffusionslänge L nach oben beschränkt Und wird für die Dicke W einen Wert wählen, der kleiner als das Vierfache der Diffusionslänge L ist. Ferner wird man bestrebt sein, durch Verwenden eines hochreinen Ausgangsmate- so rials und "geeigneter Herstellungsverfahren eine möglichst große Diffusiöüslänge zu erzielen.
Durch ein Diffusionsverfahren, bei dem der Diffusionsprozeß in einer von innen mit Silizium-Monoxyd, beschichteten Quarzämpulle stattfindet, kann infolge einer Art Getterüng in dem Mittelgebiet 3, 2, 4 bei einer Dicke Wn der η-leitenden Innenschicht 2 von 300 μ und damit einer Dicke W des Mittelgebiets3, 2, 4.von etwa 400.μ eine Diffusionslänge größer als 100 μ erzielt werden. Ferner ist es wichtig, auch den. Legierungsprozeß so zu führen, daß eine möglichst große Diffusionslänge erhalten bleibt. Wie eingehende Versuche gezeigt haben, ist "dies der Fall, wenn die Legierungstemperatur in einem Bereich zwischen 700 und 750° C gewählt wird.
Mit einer Diffusionslänge von 100 μ und mehr können daher Thyristoren hergestellt werden, deren Mittelgebiet eine Dicke W von 400 μ hat und deren Durchlaßspannung dennoch weniger als 1,4 V bei einer Stromdichte von 200 A/cm2 beträgt.
Die vorstehenden Darlegungen gelten entsprechend auch für den Fall vertauschter Leitfähigkeitstypen p und n, d. h. für eine Schichtenfolge mit p-leitender erster Innenschicht niedrigster Dotierungskonzentration und entsprechend höheren Konzentrationen der übrigen Schichten.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Steuerbares Halbleiterbauelement mit einem einkristallinen Siliziumkörper mit vier Schichten abwechselnden Leitungstyps, dessen erste Innenschicht eine über die ganze Dicke nahezu "konstante Dotierungskonzentration hat, die niedrige* f ist als die Dotierungskonzentrationen in der zweiten Innenschicht und in den beiden Außenschichten, und dessen an die erste Innenschicht angrenzende Schichten einen symmetrischen, Von der ersten Innenschicht um mehrere Zehfierpotenzen ansteigenden Verlauf aufweisen und dessen zweite Außenschicht und ein äußerer Teilbereich der ersten Außenschicht eine hohe Dotierungskonzentration von etwa 1018cm"3 aufweist, d ad U r ch ge k en'nζ ei ch η et, daß die erste Innenschicht (2) 200 bis 300 μ dick ist und daß ihre Dotierungskonzentration 2,5 · 1013 bis 1,5-1014Cm-3 beträgt und daß die Diffusionslänge bei hohen Injektionen", entsprechend einem Stromdichtebereich von 10 bis 200 A/cm2, größer als 'ein Viertel der Dicke (W) des bei Stromdurchgang in Durchlaßrichtung von injizierten Ladungsträgern überschwemmten Mittelgebietes (3, 2, 4) ist, welches einerseits von dem hochdotierten äußeren Teilbereich (8) der an die erste Innenschicht (2) anschließenden ersten i Außenschicht (4, 8), andererseits von der hochdotierten, an die zweite Innenschicht (3) anschließenden zweiten Außenschicht (5) begrenzt ist und den schwächer dotierten inneren Teilbereich (4) der ersten Außenschicht (4, 8) sowie die erste (2) und die zweite (3) Innenschicht umfaßt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionslänge (L) größer als 100 μ ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Innenschicht (2) η-leitend ist und ihr spezifischer Widerstand 40 bis 120 Ohm/cm beträgt.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Innenschicht (2) pJeitend ist und ihr spezifischer Widerstand 120 bis 360 Ohm/cm beträgt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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