DE19640656A1

DE19640656A1 - Rückwärtsleitender GTO

Info

Publication number: DE19640656A1
Application number: DE1996140656
Authority: DE
Inventors: Sven Klaka; Stefan Dr Linder; Peter Dr Roggwiller; Andre Dr Weber
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1998-04-09

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einem rückwärtsleitenden GTO nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Das Europäische Patent EP 0 200 863 B1 offenbart einen solchen rückwärtslei tenden GTO. Er umfaßt in einem Halbleiterkörper eine Thyristorzone und eine Diodenzone, die durch ein Trenngebiet voneinander getrennt sind. Innerhalb des Trenngebiets tritt die n-Basis der Thyristorzone bzw. das n-Substrat der Diode an die dem Gate des Thyristors zugeordnete Oberfläche. Die Trennzone ist außerdem mit einer Passivierungsschicht oder Isolierschicht überzogen.

Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 40 02 040 A1 offenbart ebenfalls einen rückwärtsleitenden GTO, bei dem die Trennzone mittels eines Graben oder einer in die p-Basis eingelassenen n-dotierten Trennschicht realisiert wird. Die Trennzone ist ebenfalls mit einer isolierenden Schicht überzogen.

Weitere Ausführungsbeispiele von rückwärtsleitenden GTOs sind der Deutschen Offenlegungsschrift DE 42 36 953 A1 zu entnehmen.

Bei den rückwärtsleitenden GTOs nach dem Stand der Technik ergibt sich das Problem, daß der am Gate beaufschlagte Zündstrom falls die Trennzone eine zu geringe Breite aufweist durch die Trennzone in die Anode der Diode fließt. Dies erhöht den zum Einschalten des GTOs benötigten Zündstrom. Wird die Trenn region hingegen zu breit ausgelegt, so kann die Raumladungszone beim Anlegen einer Sperrspannung an das Element bis an die Oberfläche der Trennregion dringen. Oberflächenladungen können zu einer zusätzlichen Verschärfung des Problems führen, insbesondere wenn die Trennregion durch eine induzierte ne gative Ladung aufgeweitet wird.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen rückwärtsleitenden Abschalt thyristor anzugeben, bei dem die Wirksamkeit der Trennzone uneingeschränkt zur Verfügung steht. Insbesondere soll die Raumladungszone in keinem Fall bis zur Oberfläche der Trennzone dringen können.

Diese Aufgabe wird bei einem rückwärtsleitenden Abschaltthyristor der ein gangs genannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, daß Mittel vorgesehen sind, die die Trennzone potentialmäßig festhalten. Diese Mittel können eine Metallschicht umfassen, welche eine die Trennzone überdeckende Isolierschicht bedeckt, und welche entweder mit dem Gate des Abschaltthyristors oder der Anodenmetallisierung der Diodenzone elektrisch verbunden ist. Bei Anlegen einer negativen Spannung an die Kathode des GTOs werden an der Oberfläche der Trennzone positive La dungen induziert. Dies verhindert wirksam, daß die Raumladungszone bis an die Oberfläche reicht. Dadurch wird die Wirksamkeit der Trennzone in keinem Fall, auch nicht im Sperrbetrieb des GTOs, eingeschränkt.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den entsprechenden abhängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abschaltthyristors;

Fig. 2 Einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Abschaltthyristors nach einer ersten Variante;

Fig. 3 Einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Abschaltthyristors nach einer zweiten Variante.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen, rückwärtsleitenden Abschaltthyristor 1 oder GTO von oben, d. h. von der Kathodenseite des GTOs bzw. der Anodenseite der integrierten Diode. Der Halbleiterkörper 2 des GTOs ist scheibenförmig aus gebildet und umfaßt von außen nach innen folgende Zonen: eine Randzone 18, eine Diodenzone 4, eine Trennzone 5 und eine Thyristorzone 3. Die Reihenfolge von Thyristorzone 3 und Diodenzone 4 kann auch vertauscht sein, so daß die Diodenzone 4 zentral angeordnet ist und nicht die Thyristorzone 3. Im Bereich der Thyristorzone 3 ist mit 16 ein zentrales Gate bezeichnet. Mit 7 sind die Me tallisierungen der Kathodenfinger bezeichnet, die entsprechende Kathodenemit ter 6 bedecken. Zwischen den Kathodenfingermetallisierungen 7 sind die Gate metallisierungen 15 angeordnet.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen, rückwärtsleitenden GTOs im Schnitt. Die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Be standteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Im Gebiet der Thyristor zone 3 umfaßt der Halbleiterkörper von der Kathode des GTOs gesehen einen Kathodenemitter 6, der mit einer Kathodenemittermetallisierung 7 bedeckt ist, eine p-Basis 8, eine n-Basis 9 und einen Anodenemitter 10. Der Anodenemitter 10 ist mit einer Anodenmetallisierung 19 bedeckt. Die p-Basis 8 tritt an ver schiedenen Stellen an die Oberfläche und ist dort mit einer Metallisierung be deckt, die die Gatemetallisierungen 15 bildet. Diese Gatemetallisierungen 15 sind untereinander und mit dem zentralen Gate 16 verbunden und bilden insge samt das Gate des GTOs.

Im Gebiet der Diodenzone 4 ist von derselben Seite her gesehen eine p-Zone 11 und daran anschließend eine n-Zone 12 vorgesehen. Die p-Zone 11 ist mit einer die Anode der Diode bildenden Anodenmetallisierung 17 bedeckt. Die n-Zone 12 der Diode entspricht dabei der n-Basis 9 der Thyristorzone. Außerdem kann die n-Zone im Bereich der Anodenmetallisierung des GTOs 19 ein höher dotiertes Gebiet umfassen, so daß eine Diodenstruktur nach der Art einer pin-Diode ent steht. Die Anodenseite des GTOs ist aber für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung, so daß auf weitere Ausführungen diesbezüglich verzichtet wer den kann. Es sind jedoch alle bekannten Konzepte zur Verbesserung diverser Eigenschaften im Bereich der Anode des GTOs auch im Rahmen der vorliegen den Erfindung realisierbar.

Beim in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Trennzone 5 durch einen Bereich der n-Basis 9 gebildet, in welchem die n-Basis 9, bzw. die n-Zone 12 der Diode, an die Oberfläche tritt. Die Trennzone ist in diesem Bereich mit einer Isolierschicht 13 bedeckt. Diese kann beispielsweise aus SiO₂ bestehen. Nach der Erfindung sind nun Mittel vorgesehen, die die Trennzone auf einem definierten Potential halten. Diese Mittel können eine Metallschicht 14 umfas sen, die wie in Fig. 2 gezeigt mit der benachbarten Gatemetallisierung 15 und auf diese Weise mit dem Gate des GTOs elektrisch verbunden ist. Gemäß Fig. 3 kann die Metallschicht 14 der Trennzone 5 aber auch mit der Anodenmetalli sierung 17 der Diode verbunden sein.

Durch dieses elektrische Verbinden der Metallschicht 14 der Trennzone 5 mit dem Gate des GTOs oder der Anode der Diode wird erreicht, daß z. B. beim An legen einer negativen Spannung an der Kathode des GTOs, d. h. bei Sperrpola risierung des GTOs, an der Oberfläche der Trennzone positive Ladungen indu ziert werden. Dies verhindert, daß die Raumladungszone bis zur Oberfläche reicht. Die Trennzone bleibt damit auch in Sperrfall vollständig wirksam.

Die Trennzone 5 kann nicht nur durch das in den Fig. 2 und 3 gezeigte Kon zept realisiert werden, sondern auch durch die im Rahmen der Diskussion des Standes der Technik erläuterten Konzepte mit einem Graben oder einer n-dotierten Trennschicht.

Bezugszeichenliste

1 Abschaltthyristor
2 Halbleiterkörper
3 Thyristorzone
4 Diodenzone
5 Trennzone
6 Kathodenemitter
7 Kathodenemittermetallisierung
8 p-Basis
9 n-Basis
10 Anodenemitter
11 p-Zone
12 n-Zone
13 Isolierschicht
14 Metallschicht der Trennzone
15 Gatemetallisierung
16 Zentralgate
17 Anodenmetallisierung der Diode
18 Randzone

Claims

1. Rückwärtsleitender Abschaltthyristor (1) umfassend:

(a) in einem Halbleiterkörper (2) eine Thyristorzone (3) und ein Di odenzone (4), die durch eine Trennzone (5) voneinander getrennt sind, wobei
(b) die Thyristorzone (3) von einer ersten Oberfläche des Halbleiter körpers (2) her gesehen umfaßt: einen Kathodenemitter (6), eine p-Basis (8), eine n-Basis (9) und eine Anodenemitter (10); und wobei
(c) die Diodenzone (4) von der ersten Seite her gesehen umfaßt: eine p-Zone (11) und eine n-Zone (12) , wobei die n-Zone (12) der n-Basis (9) der Thyristorzone (3) entspricht, und wobei die Trennzone (5) mit einer Isolierschicht (13) überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
(d) Mittel (14) vorgesehen sind, die die Trennzone (5) auf einem defi nierten Potential festhalten.

2. Abschaltthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Metallschicht (14) umfassen, die über der Isolierschicht (13) angeordnet ist und die mit dem Gate des Abschaltthyristors elek trisch verbunden ist.

3. Abschaltthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Metallschicht (14) umfassen, die über der Isolierschicht (13) angeordnet ist und die mit der Anode der Diodenzone (4) elek trisch verbunden ist.

4. Abschaltthyristor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzone (5) durch einen Bereich der n-Basis (9) gebildet wird, in welchem Bereich die n-Basis an die erste Oberfläche tritt.

5. Abschaltthyristor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzone (5) durch einen Graben gebildet wird.

6. Abschaltthyristor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzone (5) durch eine in die p-Basis (8) bzw. die p-Zone (11) der Diode eingelassene n-dotierte Trennschicht gebildet wird.

7. Abschaltthyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) die Form einer Scheibe auf weist und die Diodenzone (4) im Zentrum der Scheibe angeordnet ist.

8. Abschaltthyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) die Form einer Scheibe auf weist und die Diodenzone (4) ringförmig und peripher angeordnet ist.