DE19650762A1 - Thyristor mit Durchbruchbereich - Google Patents

Thyristor mit Durchbruchbereich

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Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor, bestehend aus einem Halbleiterkörper
  • - mit einer anodenseitigen Basiszone vom ersten Leitungstyp und mindestens einer katodenseitigen Basiszone vom entge­ gengesetzten, zweiten Leitungstyp,
  • - mit anodenseitigen und katodenseitigen Emitterzonen,
  • - mit mindestens einem Bereich in der katodenseitigen Basis­ zone, der durch seine Geometrie eine gegenüber den übrigen Bereichen in der katodenseitigen Basiszone und dem Rand des Halbleiterkörper verminderte Durchbruchspannung aufweist.
In Hochspannungsanlagen sind im allgemeinen mehrere Thyristo­ ren in Reihe geschaltet. Diese müssen stets gleichzeitig ge­ zündet werden. Zündet einer der Thyristoren später, so liegt an ihm nahezu die gesamte Spannung an und der Thyristor wird zerstört. Man ist daher bemüht, Thyristoren zu entwickeln, die "über Kopf" gezündet werden können. Solche Thyristoren haben in der Regel einen zentralen Bereich, der eine gegen­ über dem übrigen Bereich und dem Rand niedrigere Durchbruchs­ spannung hat. Steigt die Spannung am Thyristor an, so geht dieser Bereich in den Lawinendurchbruch und der Durchbruch­ strom kann den Thyristor direkt oder über einen oder mehrere Hilfsthyristorstrukturen zünden.
Der Durchbruchbereich kann zum Beispiel dadurch erzeugt wer­ den, daß die kathodenseitige Basiszone eine Aussparung hat, innerhalb der an der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine dünnere Schicht des gleichen Leitungstyps angeordnet ist. Der pn-Übergang zwischen der anoden- und kathodenseitigen Basis­ zone hat dann beim Übergang von der Waagerechten in die Aus­ sparung einen definierten Krümmungsradius, an dem eine gegen­ über einem ebenen pn-Übergang höhere Feldstärke auftritt. An der Krümmung kommt es daher vorzugsweise zu einem Durchbruch des Thyristors. Eine gattungsgemäße Struktur ist zum Beispiel in dem Artikel "Design consideration for high-power, overvol­ tage self-protected thyristor" von Ohashi, Yoshida, Yama­ guchi, Akagi, veröffentlicht in IPEC-Tokyo 1983, Seiten 550-558, insbesondere anhand von Fig. 1b beschrieben worden.
Die Durchbrucheigenschaften des genannten Bereichs hängen von der Form des pn-Übergangs der katodenseitigen Basiszone ab. In DE 42 15 378 C1 (≅ EP-0 572 826 A1) ist ein weiterer gat­ tungsgemäßer Thyristor mit Bereichen vermindert er Durchbruch­ spannung angegeben. Diese Bereiche verminderter Durchbruch­ spannung sind sehr wirksam und gut reproduzierbar.
Dort ist die Überkopfzündspannung von Thyristoren mit inte­ griertem Überspannungsschutz jedoch stark temperaturabhängig. Gründe hierfür sind zum einen die mit der Temperatur zuneh­ mende Durchbruchspannung und die mit der Temperatur steigende Emitter-Kollektor-Verstärkung αpnp. Bei hohen Temperaturen verstärkt die Transistorverstärkung αpnp den Sperrstrom in der Weise, daß es zur vorzeitigen Zündung des Thyristors bei niedrigeren Überkopfzündspannung als vorgesehen kommt. Dies kann zum unbeabsichtigten vorzeitigen Zünden des Thyristors führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs genannten Art derart weiterzu­ bilden, daß die Überkopfzündspannungen des Thyristors im Tem­ peraturbereich des Thyristorbetriebs weitgehend temperatu­ runabhängig ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Insbesondere sind hier anodenseitig unter­ halb der Zone verminderter Durchbruchspannung Rekombinations­ zentren vorgesehen, die die Lebensdauer der freien Ladungs­ träger herabsetzen.
Die Ausgestaltung der Rekombinationszone ist Bestandteil der Patentansprüche 2 bis 6. Die Rekombinationszone besteht dabei im wesentlichen aus Defekten, die durch Bestrahlung mit nichtdotierenden, hochenergetischen Teilchen erzeugt werden. Bei den Defekten handelt es sich üblicherweise um Frenkel-De­ fekte beziehungsweise Schottky-Defekte, die bei Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit α-Teilchen oder Protonen erzeugt werden. Es sind aber auch andere Defekte denkbar. Für die Bestrahlung wird eine relativ geringe Dosis von 1010 bis 1012 cm⁻2 angesetzt, da der Kristall durch die Bestrahlung nicht zu stark geschädigt werden soll.
Die Patentansprüche 7 und 8 spezifizieren die Geometrie der Thyristorstrukturen, insbesondere der Zonen mit verminderter Durchbruchspannung. Die kathodenseitigen Basis- und Emitter­ bereiche sind vorteilhafterweise in der Ebene der Oberfläche kreisförmig ausgebildet und bilden einen Ringthyristor.
In einer Weiterbildung gemäß Patentanspruch 9 ist an der Oberfläche zwischen der Basiszone und dem Bereich verminder­ ter Durchbruchspannung eine weitere Zone vorgesehen, welche die Oberfläche des Thyristors vor Oberflächenladungen schützt. Diese Zone ist entsprechend höher dotiert als die Basiszone und die Zone verminderter Durchbruchspannung.
Patentanspruch 15 ist auf ein bevorzugtes Verfahren zur Her­ stellung der erfindungsgemäßen Rekombinationszone gerichtet.
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Thyri­ stors mit anodenseitiger Rekombinationszone;
Fig. 2 die Überkopfzündkennlinie für eine Thyristor
  • (a) ohne Rekombinationszone (nach DE 42 15 378 C1)
  • (b) und mit Rekombinationszone an der Scheibenrück­ seite.
Fig. 3 einen lichtzündbaren Thyristor mit integriertem BOD- und dU/dt-Schutz im Querschnitt;
Fig. 4 die dem Überspannungsschutz dienende BOD-Struktur des Thyristors gemäß Fig. 3;
Fig. 5 die mit Hilfe eines Simulationsprogramms berechnete Temperaturabhängigkeit der BOD-Spannung für drei unterschiedlich aufgebaute Thyristoren.
1. Ausführungsbeispiel
Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Thyristor. Ein Halbleiterkörper 1, beispielsweise eine Sili­ ziumscheibe, enthält eine n⁻-dotierte anodenseitige Basiszone 2. Katodenseitig schließt sich eine p-dotierte Basiszone 3 an. Die Basiszone 3 enthält eine Aussparung 4. in der Ausspa­ rung 4 ist an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 eine dünne p⁺-dotierte Schicht 5 angeordnet, die mit der Basiszone 3 verbunden ist. In der Aussparung 4 ist außerdem eine zu­ sätzliche Zone 6 des gleichen Leitungstyps wie die katoden­ seitige Basiszone 3 angeordnet. Die zusätzliche Zone 6 ist mit der dünnen Schicht 5 verbunden und hat allseitig einen Abstand vom Rand der Aussparung 4, d. h. von der Basiszone 3. Die zusätzliche Zone 6 hat die Form eines Kugelschnittes, wo­ bei die Schnittebene an die dünne Schicht 5 angrenzt. Vor­ zugsweise ist die dünne Schicht 5 sehr viel höher dotiert als die Basiszone 3 und die zusätzliche Zone 6. Die Form der Be­ reiche 4, 5, 6 ist aber nicht zwingend. Wesentlich ist je­ doch, daß die zusätzliche Zone 6 von der Innenzone 2 gesehen mindestens teilweise konkav ist. Durch seine Form weist die zusätzliche Zone 6 eine gegenüber den übrigen Bereichen in der katodenseitigen Basiszone 3 und dem Rand des Halbleiter­ körper 1 verminderte Durchbruchspannung auf.
Kathodenseitig sind in der Basiszone 3 n⁺-dotierte Emitterzo­ nen 7 eingebettet, die beispielsweise die Hilfsemitterzonen von Hilfsthyristoren sein können. Die Emitterzonen 7 werden durch Emitterelektroden 10 kontaktiert. Außerdem kontaktieren die Emitterelektroden 10 an der Außenseite auch die Basiszone 3. Die dünne Schicht 5 wird im Bereich der zusätzlichen Zone 6 an der Oberfläche von einer Gateelektrode 12 kontaktiert.
Vorzugsweise sind die katodenseitige Basiszone 3 und die Emitterzone 7 sowie die dünne Schicht 5 und die zusätzliche Zone 6 in der Ebene der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 kreisförmig oder kreisringförmig ausgebildet. Der erfindungs­ gemäße Thyristor ist vorzugsweise ein Ringthyristor. Die dar­ gestellten Formen der oben genannten Zonen und Schichten 3, 5, 6, 7 ist jedoch nicht zwingend. Sie können auch von der Kreisform bzw. Kreisringform abweichen und beispielsweise po­ lygonal ausgeformt sein.
Die oben beschriebenen Zonen bzw. Schichten können entspre­ chend DE 42 15 378, insbesondere Fig. 1, ausgebildet sein. In DE 42 15 378 C1 ist ein Thyristor mit integriertem Über­ spannungsschutz angegeben. Bei Anlegen einer Spannung in Flußrichtung werden bevorzugt im Bereich des pn-Übergangs 13 der zusätzlichen Zone 6 Ladungsträgerpaare gebildet, von de­ nen sich die Elektronen zur anodenseitigen Emitterzone 8 und die Löcher zur dünnen Schicht 5 und dann über die Basiszone 3 zur Emitterelektrode bewegen. Dieser Strom verstärkt sich la­ winenartig und leitet auf bekannte Weise die Zündung des Thy­ ristors ein. Die zusätzliche Zone 6 bildet damit einen durch ihre Geometrie vorgegebenen Bereich mit vermindert er Durch­ bruchspannung. Die dünne Schicht 5 hat die Aufgabe, die ka­ thodenseitige Oberfläche des Thyristors vor Oberflächenladun­ gen zu schützen. Zu diesem Zweck ist sie, wie bereits er­ wähnt, höher dotiert als die zusätzliche Zone 6 und die Ba­ siszone 3. in DE 42 15 378 C1 ist außerdem ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Thyristor­ struktur angegeben.
Anodenseitig ist außerdem in dem unterhalb der zusätzlichen Zone 6 liegenden Bereich des Halbleiterkörpers 1 eine Rekom­ binationszone 9 vorgesehen. Die Rekombinationszone 9 wird durch anodenseitige Bestrahlung des Halbleiterkörpers 1 mit nichtdotierenden, hochenergetischen Teilchen, insbesondere α- Teilchen oder Protonen, erzeugt. Durch die Bestrahlung werden anodenseitig Defekte im Kristallgitter erzeugt. Bei den De­ fekten handelt es sich insbesondere um Frenkel-Defekte und/oder Schottky-Defekte, wobei auch andere Defekte denkbar sind. Die räumliche Verteilung dieser Defekte definiert die Rekombinationszone 9.
Die vertikale Lage der Zone 9 im Halbleiterkörper 1 ist so gewählt, daß die dem pn-Übergang 13 zugeordnete Raumladungs­ zone den geschädigten Bereich auch beim Anliegen der durch die zentrale BOD-Struktr 4/5/6 vorgegebenen maximalen Blockierspannung UBOD nicht erreicht. Dies ist gewährleistet, wenn die strahlungsinduzierten Rekombinationszentren vorwiegend in der anodenseitigen Emitterzone 8 lokalisiert sind, die Rekom­ binationszone 9 also nicht oder nur unwesentlich in die an­ odenseitige Basiszone 2 hineinreicht. Im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel beträgt die Dicke d der Rekombinationszone 9 beispielsweise d ≦ 150 µm, während der die anodenseitige Ba­ siszone 2 und die anodenseitige Emitterzone 8 trennende pn-Übergang 14 in einer Tiefe von typischerweise 70-100 µm liegt. Die in lateraler Richtung gemessene Breite b der Re­ kombinationszone 9 sollte etwa dem 1-2-Fachen der Dicke dB der anodenseitigen Basiszone 2 entsprechen, also etwa b ≈ 1-4 mm betragen.
Für die Bestrahlung wird eine niedrige Bestrahlungsdosis ge­ wählt, da der Halbleiterkörper 1 durch die Bestrahlung nicht zu stark geschädigt werden soll. Die Bestrahlungsdosis liegt typischerweise im Bereich von etwa 1010 bis 1012 cm⁻2 bei Be­ strahlung mit α-Teilchen und von 1011 bis 1013 cm⁻2 bei Be­ strahlung mit Protonen. Die Bestrahlungsenergie kann je nach gewünschter Lage der Rekombinationszone 9 in der anodenseiti­ gen p-Emitterzone 8 bzw. n⁻-Basiszone 2 zwischen 5 und 20 MeV gewählt werden. Ist eine stärkere Schädigung des Kristalls erforderlich, können auch schwerere Teilchen wie zum Beispiel Sauerstoffionen zur Bestrahlung verwendet werden. Als Be­ strahlungsquelle wird üblicherweise ein Hochenergieionenim­ planter verwendet.
Nach der Bestrahlung wird üblicherweise ein Temperschritt (zum Beispiel 220°C, 20 h) zur Stabilisierung der Rekombina­ tionszentren 9 durchgeführt. Durch eine anodenseitige Maske kann der Bestrahlungsbereich gewählt werden. Da es sich hier meist um sehr große Strukturen handelt, kann als Maske bei­ spielsweise eine Metallochblende dienen.
Nachfolgend wird die Funktion der erfindungsgemäßen Thyri­ storstruktur erläutert.
Durch die anodenseitig eingebrachten hochenergetischen Teil­ chen in der Rekombinationszone 9 wird im Halbleiterkörper 1 ein vertikal inhomogenes Lebensdauerprofil erzeugt. In der Rekombinationszone 9 ist die Mayoritätsladungsträgerlebens­ dauer im Vergleich zu den übrigen Bereichen stark reduziert. Die reduzierte Lebensdauer bewirkt eine verstärkte Rekombina­ tion der Ladungsträger und damit eine Verringerung der Tran­ sistorverstärkung αpnp, insbesondere bei hohen Temperaturen. Dadurch kann die starke Abnahme der Überkopfzündspannung zu höheren Temperaturen hin verschoben werden. Diese Temperatur­ verschiebung läßt sich sowohl durch die Stärke der zusätzli­ chen Lebensdauerabsenkung als auch durch deren Lage beein­ flussen.
Thyristoren der genannten Art können entweder über eine Ga­ teelektrode 12 stromgesteuert oder lichtgesteuert sein.
Fig. 2 zeigt die simulierte Strom-Spannungs-Kennlinie bei Überkopfzündung eines Thyristors nach DE 42 15 378 (a) im Vergleich zur erfindungsgemäßen Thyristorstruktur mit anoden­ seitiger Rekombinationszone (b) bei verschiedenen Temperatu­ ren. In Fig. 2 (b) erkennt man, daß durch die Trägerlebens­ dauerabsenkung in der Rekombinationszone 9 die Über­ kopfzündspannung der Thyristoren im Vergleich zu (a) deutlich temperaturstabiler sind. Durch die gewählten Maßnahmen ist damit die Überkopfzündspannung der erfindungsgemäßen Thyri­ storen bis etwa 140°C weniger temperaturabhängig. Im Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen verliert der Thyristor damit nicht seine Blockierfähigkeit.
2. Ausführungsbeispiel
Der oben beschriebene Thyristor zündet bereits vor dem Errei­ chen der durch die zentrale BOD-Struktur 4/5/6 vorgegebenen statischen Kippspannung UBOD, wenn die zeitliche Änderung dU/dt der angelegten Blockierspannung U einen kritischen Wert von mehreren kV/µs übersteigt. Ausgelöst wird diese unter Um­ ständen zur Zerstörung des Thyristors führende Fehlzündung durch den Aufbau der Raumladungszone am p-Basis/n-Basis-Über­ gang 13 und dem daraus resultierenden, den Sperrstrom verstärkenden Verschiebungsstrom Id = Cd × dU/dt (Cd: span­ nungsabhängige Raumladungskapazität des pn-Übergangs 13). Durch Einbau einer Zone erhöhten Widerstandes in die katho­ denseitige Basis 3 unterhalb des ersten Hilfsthyristors 7/10 läßt sich die durch eine zu große dU/dt-Belastung hervorgeru­ fene Fehlzündung gezielt in den Zentralbereich des Thyristors verlagern. Da das von der Zündung betroffene Volumen dann in­ nerhalb des vom ersten Hilfsthyristor 7/10 begrenzten Be­ reichs liegt, kann sich das Plasma, wie bei einer gesteuerten Zündung, großflächig und gleichförmig in radialer Richtung ausbreiten, ohne daß die Stromdichte kritische Werte erreicht (s. beispielsweise die Veröffentlichung von H.-J. Schulze et al. in Proceedings of the ISPSD 96, 197, Hawai 1996).
Die Fig. 3 zeigt einen lichtzündbaren Thyristor mit inte­ griertem dU/dt-Schutz im Querschnitt. Er ist rotationssymme­ trisch bezüglich der senkrecht auf den beiden Hauptflächen 22/23 des Halbleiterkörpers 21 stehenden Achse 24 aufgebaut. Während die obere Hauptfläche 22 des scheibenförmigen Halb­ leiterkörpers 21 die randseitig verlaufende, mit Emitterkurz­ schlüssen versehene Kathodenmetallisierung 25 trägt, ist sei­ ne rückseitige Hauptfläche 23 vollständig mit einer als Anode dienenden Metallisierung 26 beschichtet. Der aus Silizium be­ stehende Halbleiterkörper 21 weist mehrere, unterschiedlich dotierte, jeweils durch Raumladungszonen voneinander getrenn­ te Bereiche 27-30 auf. Diese Bereiche unterschiedlicher Leit­ fähigkeit bilden den n⁺-dotierten, kathodenseitigen Emitter 27, die p-dotierte Basis 28, die nur schwach elektronenlei­ tende, anodenseitige Basis 29 sowie den von der Anodenmetal­ lisierung 26 kontaktierten p⁺-Emitter 30.
Die mit AG (Amplyfing Gate) bezeichneten, radial innerhalb der Kathodenmetallisierung 25 angeordneten Hilfsthyristoren 1.-5.-AG bilden die Treiberstufen des Hauptthyristors. Sie weisen jeweils einen in der kathodenseitigen Basis 28 einge­ betteten, n⁺-dotierten Hilfsemitter 31/31' und eine sowohl den Hilfsemitter 31/31' als auch die Basis 28 kontaktierende Metallisierung 32/32' auf. In einer die innersten drei Hilfsthyristoren 1.-3.-AG ringförmig umschließenden Zone 33 ist die Dotierstoffkonzentration gegenüber den lateral an­ grenzenden Bereichen der kathodenseitigen Basis 28 verrin­ gert. Diese Ringzone 33 wirkt als Widerstand R, der den in der Basis 28 radial nach außen fließenden Zündstrom auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt und so die Belastung der Struktur während der Einschaltphase vermindert.
Um die durch eine zu große dU/dt-Belastung hervorgerufene Zündung gezielt in den Zentralbereich des Thyristors zu ver­ lagern, besitzt die kathodenseitige Basis 28 in einer unter­ halb des n⁺-dotierten Bereichs 31 des ersten Hilfsthyristors 1.-AG liegenden Ringzone 35 einen erhöhten Widerstand. Da die Breite L und der durch die Dotierstoffkonzentration gegebene Schichtwiderstand R der Ringzone 35 sowohl die zur Zündung des ersten Hilfsthyristors 1.-AG erforderliche minimale Strahlungsintensität als auch dessen dU/dt-Belastbarkeit ent­ scheidend beeinflußt, läßt sich durch eine geeignete Dimen­ sionierung dieser Parameter sicherstellen, daß die zentral gelegene Thyristorstruktur die größte dU/dt-Empfindlichkeit des Systems aufweist und sie demzufolge bei Überschreitung eines kritischen Wertes der Spannungssteilheit dU/dt zuerst zündet. Der Schichtwiderstand R der etwa 200-600 µm breiten Ringzone 35 beträgt typischerweise R ≈ 2000-5000 Ω . Er ist damit um einen Faktor 10-20 größer als der Schichtwiderstand des angrenzenden Basisbereichs (R (p⁺) 200-400 Ω ).
Die oben bereits beschriebene, in Fig. 4 vergrößert darge­ stellte BOD-Struktur des Thyristors dient dem Überspannungs­ schutz. Ihre lateralen Abmessungen sind mit Di = 350 µm und Da = 550 µm so bemessen, daß die Durchbruchspannung UBOD bei Zimmertemperatur T = 23°C etwa UBOD ≈ 7,8 kV beträgt.
Um die durch die Geometrie der BOD-Struktur vorgegebene Span­ nung UBOD ("Überkopfzündspannung") insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen T ≧ 80-90°C weitgehend konstant zu hal­ ten, weist die anodenseitige Basis 29 in ihrem zentralen Be­ reich unterhalb der BOD-Struktur eine vertikal inhomogene Verteilung der Dichte strahlungsinduzierter Gitterdefekte auf. Die Lage dieser vergleichsweise schmalen, etwa 20 um breiten Zone 36 im Halbleiterkörper 21, d. h. ihr vertikaler Abstand von der anodenseitigen Hauptfläche 23 ist hierbei derart gewählt, daß die dem pn-Übergang 37 zugeordnete Raum­ ladungszone den geschädigten Bereich 36 bei einer Blockier­ spannung U ≦ UBOD von etwa U ≈ 8,2 kV erreicht. Steigt die Blockierspannung U nur unwesentlich weiter an, liegt der ge­ schädigte Bereich 36 vollständig innerhalb der Raumladungszo­ ne, wobei die strahlungsinduzierten Defekte nun nicht mehr als Rekombinationszentren, sondern als Generationszentren freier Ladungsträger wirken. Der zum Sperrstrom beitragende und exponentiell mit der Temperatur anwachsende Generati­ onsstrom in der Raumladungszone vergrößert den Verstärkungs­ faktor αpnp der durch die Schichten 28/29/30 gebildeten Tran­ sistorstruktur soweit, daß der Thyristor bei einer nur unwe­ sentlich von der gewünschten Durchbruchsspannung UBOD abwei­ chenden Blockierspannung zündet. Die vertikal inhomogene Ver­ teilung der Defektdichte in der anodenseitigen Basis 29 er­ zeugt man wieder durch eine Bestrahlung des Halbleiterkörpers 21 mit Protonen oder Heliumkernen. Außer dem schon beschrie­ benen Verfahren können insbesondere auch die aus der WO 92/17 907 bekannten Bestrahlungstechniken zur Anwendung kom­ men. Der Abstand bD/2 des Randes der Zone 36 von der Symme­ trieachse 24 beträgt typischerweise bD/2 ≦ (1-2) dB, wobei dB ≈ 1-2 mm die Breite der anodenseitigen Basis 29 bezeich­ net.
In Fig. 5 ist die mit Hilfe eines Simulationsprogramms be­ rechnete Temperaturabhängigkeit der Überkopfzündspannung UBOD verschiedener Thyristoren dargestellt. Wie erwartet, steigt die Spannung UBOD des nicht mit Protonen bestrahlten Thyri­ stors aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten der Avalanche-Koeffizienten zunächst mit der Temperatur T konti­ nuierlich an, um ab einer Temperatur T ≈ 120°C schließlich steil abzufallen (negativer Temperaturkoeffizient der Transi­ storverstärkung αpnp als Folge des erhöhten Sperrstromes). Das Temperaturverhalten der BOD-Spannung verbessert sich deut­ lich, wenn der Thyristor im anodenseitigen Emitter eine durch Bestrahlung mit Protonen erzeugte Zone abgesenkter Lebensdau­ er aufweist (s. die als Dreiecke dargestellten Simulations­ werte). Ähnlich verhält sich die BOD-Spannung eines Thyri­ stors, bei dem die Zone abgesenkter Lebensdauer in der an­ odenseitigen Basis an einer Stelle lokalisiert ist, die die dem pn-Übergang 37 zugeordnete Raumladungszone, unabhängig von der anliegenden Blockierspannung, nicht erreicht. Die BOD-Spannung bleibt im Temperaturbereich 80°C ≦ T ≦ 140°C an­ nähernd konstant, falls die Zone erhöhter Defektdichte beim Anliegen der gewünschten Blockierspannung von beispielsweise UBOD ≈ 8,2 kV innerhalb der vom p-Basis/n-Basis-Übergang 37 ausgehenden Raumladungszone liegt (s. die als Quadrate darge­ stellten Simulationswerte).

Claims (15)

1. Thyristor bestehend aus einem Halbleiterkörper (1)
  • - mit einer anodenseitigen Basiszone (2) vom ersten Leitungs­ typ und mindestens einer katodenseitigen Basiszone (3) vom entgegengesetzten, zweiten Leitungstyp,
  • - mit anodenseitigen und katodenseitigen Emitterzonen (7, 8),
  • - mit mindestens einem Bereich (6) in der katodenseitigen Ba­ siszone (3), der durch seine Geometrie eine gegenüber den übrigen Bereichen in der katodenseitigen Basiszone (3) und dem Rand des Halbleiterkörper (1) verminderte Durchbruch­ spannung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß anodenseitig unterhalb des Bereichs verminderter Durch­ bruchspannung (6) mindestens eine Rekombinationszone (9) mit vermindert er Lebensdauer der freien Ladungsträger vorgesehen ist.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationszone (9) im wesentlichen aus Defekten im Kristallgitter besteht, welche durch Bestrahlung mit nichtdotierenden, hochenergetischen Teilchen erzeugt werden.
3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Defekten um Frenkel-Defekte und/oder Schottky-Defekte handelt.
4. Thyristor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte durch Bestrahlung des Halbleiterkörpers (1) mit geladenen Teilchen erzeugt worden sind.
5. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte durch Bestrahlung des Halbleiterkörpers (1) mit Protonen oder α-Teilchen erzeugt worden sind.
6. Thyristor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis der eingebrachten Teilchen für die Rekombinati­ onszone (9) im Bereich von etwa 1010 bis 1012 cm⁻2 bei Bestrah­ lung mit α-Teilchen und von 1011 bis 1013 cm⁻2 bei Bestrahlung mit Protonen gewählt wird.
7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der katodenseitigen Bereiche (4, 5, 6) im wesentlichen folgende Merkmale aufweist:
  • - eine Aussparung (4) ist im zentralen Bereich der kathoden­ seitigen Basiszone (3) angeordnet, innerhalb der an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) eine gegenüber der ka­ thodenseitigen Basiszone (3) dünnere Schicht (5) des zwei­ ten Leitungstyps angeordnet ist, welche mit der katoden­ seitigen Basiszone (3) verbunden ist,
  • - in der Aussparung (4) ist eine zusätzliche Zone (6) des zweiten Leitungstyps angeordnet, die an die dünne Schicht (5) angrenzt,
  • - die zusätzliche Zone (6) ist von der kathodenseitigen Ba­ siszone (3) aus gesehen mindestens teilweise konkav ausge­ bildet.
8. Thyristor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die katodenseitigen Bereiche (4, 5, 6) sowie die katho­ denseitige Basiszone (3) und die katodenseitigen Emitterzonen (7) in der Ebene der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) kreisförmig ausgebildet sind und der Thyristor ein Ringthyri­ stor ist.
9. Thyristor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration der dünnen Schicht (5) sehr viel größer ist als die Dotierungskonzentrationen der katho­ denseitigen Basiszone (3) und der zusätzlichen Schicht (6).
10. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige Basiszone (29) in einer durch eine Hauptflächennormale des Halbleiterkörpers (21) definierten vertikalen Richtung eine inhomogene Verteilung der Dichte an Rekombinations- und Generationszentren freier Ladungsträger aufweist.
11. Thyristor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Rekombinations- und Generationszentren in­ nerhalb eines ersten Bereichs (36) der anodenseitigen Basis­ zone (29) jeweils höher ist als in den sich in vertikaler Richtung beidseitig anschließenden und jeweils bis zum be­ nachbarten pn-Übergang erstreckenden Bereichen der anodensei­ tigen Basiszone (29)
12. Thyristor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung b des ersten Bereichs (36) in lateraler Richtung der Bedingung b < (1-4)dB genügt, wobei dB die ver­ tikale Dicke der anodenseitigen Basiszone (29) bezeichnet.
13. Thyristor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Lage des ersten Bereichs (36) innerhalb der anodenseitigen Basiszone (29) derart gewählt ist, daß die Raumladungszone des den beiden Basiszonen (28, 29) zugeordne­ ten pn-Übergangs (37) den ersten Bereich (36) bei einer vor­ gegebenen Differenz eines Kathoden- und eines Anodenpotenti- als erreicht.
14. Thyristor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Potentialdifferenz annähernd der vermin­ derten Durchbruchspannung (UBOD) entspricht.
15. Herstellungsverfahren für einen Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte zur Erzeugung der Rekombina­ tionszone (9) durchgeführt werden:
  • - anodenseitige Maskierung des Halbleiterkörpers (1), beispi­ leweise durch eine Metallochblende,
  • - anodenseitige Bestrahlung,
  • - abschließender Temperaturschritt zur Stabilisierung der Re­ kombinationszone (9).
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