DE19726126A1 - Bipolar switching transistor with reduced saturation - Google Patents
Bipolar switching transistor with reduced saturationInfo
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Classifications
-
- H01L29/32—
-
- H01L29/0821—
Landscapes
- Bipolar Transistors (AREA)
- Thyristors (AREA)
Abstract
Description
Bipolartransistoren für höhere Sperrspannungen haben im allgemeinen eine npn-Struktur mit einer Kollektorzone, die in eine schwach dotierte N⁻-Zone zur Aufnahme der Spannung und eine darauf folgende hoch dotierte N⁺-Zone mit dem Kollektorkontakt unterteilt ist. Solche Transistoren betreibt man im eingeschalteten Zustand üblicherweise im Bereich der Quasisättigung nahe am Übergang zur Sättigung. Die schwach dotierte Kollektorzone ist dann bis auf einen schmalen Bereich in der Nähe des N⁻N⁺-Übergangs mit injizierten Ladungsträgern hoher Konzentration überschwemmt. Bei dieser Betriebsweise sind sowohl die Durchlaßverluste als auch die dynamischen Verluste klein. Nimmt der Kollektorstrom iC bei gegebenem Basisstrom iB nun ab, so geht der Transistor in den Zustand der Sättigung über, bei dem das Injektionsniveau auch am N⁻N⁺-Übergang hoch ist. Bei iC ≦ iB wird die Löcherkonzentration am N⁻N⁺-Übergang annähernd so groß wie an der Basisseite der N⁻-Zone. Man spricht dann von starker Sätti gung. Ein Übergang von der Quasisättigung in die Sättigung kann auch bei Erhöhung der Temperatur erfolgen, da der Stromverstärkungsfaktor mit der Temperatur zunimmt. Die Sättigung hat zwar eine geringere Kollektor- Emitter-Spannung VCE und damit geringere Durchlaßverluste zur Folge. Jedoch treten beim Abschalten lange Abschaltzeiten und große Schaltverluste auf, so daß die Gesamtverluste bei hohen Frequenzen durch die Sättigung stark zunehmen. Von Bedeutung ist dabei, daß man die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger groß wählen muß, um einen hohen Stromverstärkungsfaktor zu erzielen. Da die Verluste mit der Temperatur ansteigen, kann es bei hohen Frequenzen zu einem unkontrollierten Hochlaufen der Temperatur (thermisches Weglaufen) und zur Zerstörung des Bauelements kommen.Bipolar transistors for higher reverse voltages generally have an npn structure with a collector zone which is divided into a weakly doped N⁻ zone for receiving the voltage and a subsequent highly doped N dot zone with the collector contact. Such transistors are usually operated in the switched-on state in the quasaturation region close to the transition to saturation. The weakly doped collector zone is then flooded with injected charge carriers of high concentration except for a narrow area near the N⁻N⁺ junction. In this mode of operation, both the forward losses and the dynamic losses are small. If the collector current i C now decreases for a given base current i B , the transistor changes to the state of saturation, in which the injection level is also high at the N⁻N⁺ transition. With i C ≦ i B , the hole concentration at the N⁻N⁺ transition becomes almost as large as at the base of the N⁻ zone. One then speaks of strong satiety. A transition from quasaturation to saturation can also take place when the temperature increases, since the current amplification factor increases with the temperature. The saturation results in a lower collector-emitter voltage V CE and thus lower forward losses. However, long switch-off times and large switching losses occur when switching off, so that the total losses at high frequencies increase sharply due to saturation. It is important that the lifetime of the minority charge carriers must be selected to be long in order to achieve a high current amplification factor. Since the losses increase with temperature, the temperature can run up uncontrollably (thermal runaway) and the component can be destroyed at high frequencies.
Grundsätzlich ist für derartige Bauelemente auch eine pnp-Struktur möglich. Die N, N⁻, N⁺ Schichten sind dann durch entsprechend dotierte P, P⁻, P⁺ Schichten ersetzt. Nachfolgende Ausführungen lassen sich daher in analoger Weise auf eine komplementäre Struktur anwenden.In principle, a pnp structure is also possible for such components. The N, N⁻, N⁺ layers are then appropriately doped P, P⁻, P⁺ Layers replaced. The following explanations can therefore be made in analog Apply way to a complementary structure.
Um die Schaltverluste zu verkleinern, läßt man die Lebensdauer oft nicht bei dem sehr hohen Wert von z. B. 80 µs, den man nach den Hochtemperaturprozessen zur Erzeugung der Dotierungsstruktur beobachtet, sondern reduziert sie auf einen kleineren, aber immer noch hohen Wert von z. B. 20 µs, indem man den Halbleiter mit Elektronen hoher Energie bestrahlt. Die dadurch verursachte Verringerung des Stromverstär kungsfaktors kann man in bestimmten Grenzen kompensieren, indem man die Stromdichte durch eine Vergrößerung der aktiven Halbleiterfläche erniedrigt, da dies eine Erhöhung des Stromverstärkungsfaktors zur Folge hat. Jedoch hält sich die so erzielbare Verkleinerung der Schaltverluste in engen Grenzen, und der Anstieg der Verluste mit der Temperatur ist unverändert stark. Daher ist ein thermisches Weglaufen bei den gewünschten hohen Schaltfrequenzen oft nicht zu verhindern. Auch ist diese Maßnahme durch die damit verbundene Vergrößerung der Halbleiterfläche teuer.In order to reduce switching losses, the service life is often not included the very high value of z. B. 80 microseconds, which after High temperature processes to create the doping structure observed, but reduced it to a smaller one, but still high value of e.g. B. 20 microseconds by using the semiconductor with electrons higher Irradiated energy. The resulting reduction in current gain can be compensated for within certain limits by the current density by increasing the active semiconductor area decreased, as this results in an increase in the current amplification factor Has. However, the reduction in switching losses that can be achieved in this way remains narrow limits, and the increase in losses with temperature is still strong. Therefore there is a thermal runaway in the often not prevent the desired high switching frequencies. Is too this measure by the associated enlargement of the Semiconductor area expensive.
Andererseits werden oft externe oder interne Beschaltungen verwendet, um eine starke Sättigung zu verhindern. Jedoch sind externe Beschaltungen ebenfalls kostenaufwendig und nehmen außerdem viel Raum in Anspruch. Es werden daher Transistoren angeboten, die solche Schaltungen monolithisch integriert enthalten. Bei Transistoren für niedrige Sperr spannung kann die Sättigung durch eine "Clamp-Diode" vom Schottky-Typ, die zwischen Basis und Kollektor angeordnet ist, weitgehend verhindert werden. Eine auch auf hochsperrende Transistoren anwendbare Methode besteht darin, daß der äußere Basisanschluß nur über einen integrierten Vorwiderstand mit der Basis des Transistors verbunden ist, andererseits aber unmittelbar mit dem P-Gebiet einer PN⁻N⁺-Diode, deren kathodenseitige Elektrode vom Kollektor des Transistors mitgebildet wird. Die Diode stimmt in ihrer vertikalen Struktur mit der Basis-Kollektor-Struktur des Transistors überein, ist lateral aber vom Transistor abgesetzt. Infolge des Span nungsabfalls am Basisvorwiderstand wird die Diode bei Übergang des Transistors in die Sättigung stark in Durchlaßrichtung gepolt. Daher fließt der äußere Basisstrom zum großen Teil durch die Diode ab, ohne den Transistor aufzusteuern, so daß eine starke Sättigung verhindert wird. Ein Nachteil ist, daß die Diode beim Abschalten des Transistors mit ausgeräumt werden muß und das Abschalten dadurch verzögert wird. Die Integration des Widerstandes und der Diode macht auch eine deutliche Vergrößerung der Chipfläche erforderlich. Auch die Steuerleistung und die Erwärmung des Chips ist infolge des Widerstandes erhöht. Seine Auslegung ist nur für einen bestimmten Basisstrom optimal.On the other hand, external or internal circuits are often used to prevent strong satiety. However, external circuits are also expensive and also take up a lot of space. There are therefore offered transistors that such circuits monolithically integrated included. For transistors for low blocking saturation can be achieved by means of a Schottky-type "clamp diode", which is arranged between the base and collector largely prevented will. A method that can also be used for high-blocking transistors consists in the fact that the outer base connection only has an integrated one Series resistor is connected to the base of the transistor, on the other hand directly with the P region of a PN⁻N⁺ diode, the cathode side Electrode is formed by the collector of the transistor. The diode is correct in its vertical structure with the base-collector structure of the transistor match, but is laterally offset from the transistor. As a result of the chip voltage drop at the base series resistor, the diode is switched on Transistor heavily polarized in the saturation in the forward direction. Therefore flows the outer base current largely through the diode without the Open transistor so that a strong saturation is prevented. A The disadvantage is that the diode is cleared when the transistor is switched off must be and the shutdown is delayed. The integration of the resistor and the diode also makes a significant increase the chip area required. The tax rate and the warming of the Chips is increased due to the resistance. Its interpretation is only for one certain base current optimal.
Aus der GB 2 276 981 A ist es bekannt, den Emitteranschluß auch mit dem P-Gebiet einer PN⁻N⁺-Diode zu verbinden, die wie in obigem Fall durch die von der Basis getrennte P-Zone und die Kollektor-Struktur des Transistors gebildet wird. Die Diode liegt zur Kollektoremitterstrecke des Transistors antiparallel. Gleichzeitig wird durch die Basis und die an die Oberfläche tretende schwach dotierte Kollektorzone des Transistors sowie die P-Zone der Diode ein lateraler PNP-Transistor gebildet. Wird das Potential des Kollektors des Haupttransistors gegenüber der Basis negativ, so wird der PNP-Transistor durch Elektronenstrom aus dem Kollektor aufgesteuert. Infolgedessen fließt der äußere Basisstrom zum Teil zum Kollektor des PNP- Transistors ab, so daß der Haupttransistor weniger aufgesteuert wird. Für den so erzielten Antisättigungseffekt ist hier eine wesentliche Vergrößerung der Chipfläche erforderlich. Untersuchungen haben ferner ergeben, daß die Anordnung weniger effektiv ist, wenn die kollektorseitige N⁺-Zone durch eine tiefe Diffusion hergestellt ist (dreifach diffundierte Transistoren), was bei hoch sperrenden Transistoren die kostengünstigste Methode ist. Beim Abschalten aus der Sättigung bleibt bei diesen Transistoren ein Ladungsträgerberg am N⁻N⁺-Übergang zurück, der nicht schnell ausgeräumt wird und somit zu einem erhöhten Schweifstrom führt. Nachteilig ist ferner, daß der äußere Basisstrom auch im Zustand der Quasisättigung zum Teil zum Kollektorgebiet des PNP-Transistors abfließt, da dessen Emitterbasisübergang als Verlängerung des Basiskollektorübergangs des Haupttransistors in Durchlaßrichtung gepolt ist. Dadurch wird der Stromverstärkungsfaktor reduziert.From GB 2 276 981 A it is known to also connect the emitter connection with the To connect the P region of a PN⁻N⁺ diode which, as in the above case, is represented by that of the base separate P-zone and the collector structure of the transistor is formed. The diode lies to the collector-emitter path of the transistor anti-parallel. At the same time, through the base and the surface emerging weakly doped collector zone of the transistor and the P-zone the diode formed a lateral PNP transistor. Will the potential of Collector of the main transistor relative to the base, so the PNP transistor controlled by electron current from the collector. As a result, the base external current flows in part to the collector of the PNP Transistor off, so that the main transistor is opened less. For the anti-saturation effect achieved in this way is a significant increase the chip area required. Research has also shown that Arrangement is less effective when the Neitige zone through the collector a deep diffusion is made (triple diffused transistors) what is the cheapest method for high blocking transistors. At the Switching off from saturation remains on with these transistors Load carrier mountain at the N⁻N⁺ transition, which is not cleared quickly becomes and thus leads to an increased tail current. The disadvantage is further that the outer base current in the state of quasaturation to Part flows to the collector area of the PNP transistor, because of that Emitter base transition as an extension of the base collector transition of the Main transistor is polarized in the forward direction. This will make the Current gain factor reduced.
Durch Bestrahlung mit Protonen oder α-Teilchen können in Halbleiterbauelementen lokal begrenzte Schichten mit Rekombinationszentren erzeugt werden, deren Anwendung in "Archiv für Elektrotechnik", Bd. 72, 1989, S. 133-140, zusammenfassend beschrieben wird. Bei P⁺N N⁺-Leistungsdioden wird durch eine Rekombinationsschicht am P⁺N-Übergang ein weiches Recovery-Verhalten mit kleiner Rückstrom spitze erreicht. Bei GTO-Thyristoren können der beim Abschalten auf tretende Schweifstrom und die Abschaltverluste durch eine Rekombinationsschicht in der N-Basis in der Nähe des anodenseitigen P⁺N- Übergangs wesentlich verringert werden. In dem Konferenzband des "International Symposion on Semiconductor Devices & ICs", ISPSD'96, 1996, S. 335-338, wird weiter die Anwendung der Protonen- und α-Bestrahlung zur Reduzierung der Schaltverluste von IGBTs beschrieben, die eine N-Bufferzone vor der anodenseitigen P⁺-Zone aufweisen. Die Rekombinationsschicht soll hier in der N⁻-Zone kurz vor der N-Bufferzone liegen. Die Bestrahlung kann von der Vorder- oder Rückseite der Halbleiter scheibe erfolgen. Da die Protonenbestrahlung mit einer im allgemeinen störenden n-Dotierung verbunden ist, wird in der praktischen Bauelementherstellung meistens die α-Bestrahlung verwendet, hauptsächlich um schnelle Leistungsdioden mit weichem Rückstromabfall herzustellen.By irradiation with protons or α-particles in Semiconductor components with locally limited layers Recombination centers are generated, their application in "Archives for Elektrotechnik ", Vol. 72, 1989, pp. 133-140 becomes. With P⁺N N⁺ power diodes is through a recombination layer at the P⁺N junction a soft recovery behavior with a small reverse current reached top. In the case of GTO thyristors, this can turn on when the device is switched off entering tail current and the switch-off losses by a Recombination layer in the N base near the anode-side P⁺N Transition can be significantly reduced. In the conference proceedings of the "International Symposion on Semiconductor Devices & ICs", ISPSD'96, 1996, Pp. 335-338, the application of proton and α radiation is used Reduction of switching losses of IGBTs described, the one Have N buffer zone in front of the anode-side P⁺ zone. The Recombination layer is said to be in the N⁻ zone just before the N buffer zone lie. The radiation can come from the front or back of the semiconductor washer. Since the proton radiation with a generally disruptive n-doping is used in practical Component manufacturing mostly uses α-radiation, mainly around fast power diodes with soft reverse current drop to manufacture.
Bei Bipolartransistoren ist die Protonen- und α-Bestrahlung weder aus der Fachliteratur noch von der praktischen Bauelementherstellung her bekannt. Da die Lebensdauer der Ladungsträger bei Transistoren für höhere Sperrspannungen wie zuvor beschrieben hoch sein muß und sie durch die Protonen- und α-Strahlen stark reduziert wird, wurde bisher keine Möglichkeit gesehen, dadurch die Eigenschaften dieser Transistoren zu verbessern.In the case of bipolar transistors, the proton and α radiation are neither from the Technical literature still known from the practical component manufacture. Since the lifespan of charge carriers for transistors for higher Reverse voltages as described above must be high and by the Proton and α rays has been greatly reduced, so far none Possibility seen, the properties of these transistors improve.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schalttransistor für höhere Sperrspannungen zu schaffen, der eine starke Sättigung von sich aus verhindert und der bei Abschalten aus einem Zustand mit kleinem Kol lektorstrom oder hohem Basisstrom nur geringe Verluste aufweist. Diese Ziele sollen ohne die Nachteile der bekannten Antisättigungsintegrationen erreicht werden. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, den Stromverstärkungsfaktor im Zustand der Quasisättigung zu erhöhen bzw. alternativ dazu die für einen vorgegebenen Stromverstärkungsfaktor erforderliche aktive Fläche zu verkleinern.The object of the invention is to provide a switching transistor for higher Reverse voltage to create a strong saturation by itself prevented and the when switching off from a state with small Kol detector current or high base current has only slight losses. This Goals should be without the disadvantages of the known anti-saturation integrations can be achieved. It is a further object of the invention To increase current amplification factor in the state of quasaturation or alternatively, for a given current gain factor reduce the required active area.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, die Lebensdauer in der Basis und dem benachbarten Bereich der schwach dotierten Kollektorzone bis zu einem Punkt nahe am N⁻N⁺-Übergang allein mit Rücksicht auf einen hohen Stromverstärkungsfaktor, d. h. sehr groß, einzustellen, in einem engen Bereich vor dem N⁻N⁺-Übergang aber um mindestens etwa zwei Zehnerpotenzen kleiner. Die Zone kleiner Lebensdauer wird vorzugsweise durch Protonenbestrahlung von der Rück seite der Scheibe her erzeugt. The inventive solution to this problem is that Lifespan in the base and the neighboring area of weak doped collector zone up to a point close to the N⁻N⁺ junction alone considering a high current gain factor, d. H. very large, adjust, but in a narrow area before the N⁻N⁺ transition at least about two powers of ten smaller. The zone smaller Lifespan is preferably by proton radiation from the back side of the disc.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Verluste bei Abschalten aus einem Zustand kleinen Kollektorstroms wesentlich niedriger sind als bei bekannten Transistoren und daß sie wesentlich weniger mit der Temperatur ansteigen. Gegenüber Transistoren mit Antisättigungsintegration sind die Vorteile besonders groß, wenn die kollektorseitige N⁺-Zone durch eine tiefe Diffusion hergestellt ist. Gleichzeitig wird der Stromverstärkungsfaktor bei Nennbetrieb (Kollektorstrom groß gegen Basisstrom) durch den großen Lebensdauerwert in der N⁻-Zone außerhalb der Rekombinationsschicht, mit dem keine Rücksicht auf kleine Schaltverluste genommen wird, heraufgesetzt. Bei vorgegebenem Mindeststromverstärkungsfaktor kann die Stromdichte erhöht und damit die Chipfläche für gegebenen Kollektorstrom wesentlich kleiner gewählt werden als bei bekannten Transi storen. Weiterhin kann auch der mit der Protonenbestrahlung verbundene Dotierungseffekt genutzt werden, um den Stromverstärkungsfaktor bei gegebenem VCE zu erhöhen und den sicheren Arbeitsbereich (SOA-Bereich) zu vergrößern. Bei epitaktischen N⁻N⁺-Strukturen kann eine N-Bufferzone zwischen der N⁻-Schicht und der N⁺⁻-Kollektorzone, die zur Vergrößerung des SOA-Bereichs verwendet wird, in der Regel entfallen.The advantages of the invention are that the losses when switching off from a state of small collector current are substantially lower than in known transistors and that they rise significantly less with temperature. Compared to transistors with anti-saturation integration, the advantages are particularly great if the collector-side N⁺ zone is produced by deep diffusion. At the same time, the current amplification factor during rated operation (large collector current versus base current) is increased by the large service life value in the N⁻ zone outside the recombination layer, with which no consideration is given to small switching losses. For a given minimum current amplification factor, the current density can be increased and the chip area for a given collector current can be chosen to be significantly smaller than in known transistors. Furthermore, the doping effect associated with proton radiation can also be used to increase the current amplification factor for a given V CE and to enlarge the safe working area (SOA area). In the case of epitaxial N⁻N⁺ structures, an N buffer zone between the N⁻ layer and the N⁺⁻ collector zone, which is used to enlarge the SOA region, can generally be dispensed with.
Fig. 1a zeigt die Halbzelle eines streifenförmigen Transistors im Querschnitt; Fig. 1a shows the half cell of a strip-shaped transistor in cross section;
Fig. 1b zeigt das Lebensdauerprofil in einem bekannten Transistor und einem Transistor nach der Erfindung; Fig. 1b shows the life profile in a known transistor and a transistor according to the invention;
Fig. 2 zeigt ein vertikales Dotierungsprofil zusammen mit
Ladungsträgerverteilungen im eingeschalteten Zustand
(Kurven A, B und C). Es gelten
Kurve A bei Nennbetrieb (iC = 10iB = 100 mA/cm) sowohl für
den bekannten als auch für den erfindungsgemäßen
Transistor;
Kurve B bei reduziertem Kollektorstrom (iC = iB = 10 mA/cm) für
den bekannten Transistor;
Kurve C bei reduzierten Kollektorstrom (iC = iB = 10 mA/cm) für
den Transistor nach der Erfindung; Fig. 2 is a vertical doping profile along with charge carrier distributions in the on state (curves A, B and C). Apply
Curve A at nominal operation (i C = 10i B = 100 mA / cm) both for the known transistor and for the transistor according to the invention;
Curve B with reduced collector current (i C = i B = 10 mA / cm) for the known transistor;
Curve C with reduced collector current (i C = i B = 10 mA / cm) for the transistor according to the invention;
Fig. 3a zeigt die Ladungsträgerverteilungen bei Abschalten aus kleinem Kollektorstrom in einem bekannten Transistor zu verschiedenen Zeitpunkten; Fig. 3a shows the charge carrier distributions at turn-off of a small collector current in a known transistor at different times;
Fig. 3b zeigt die Ladungsträgerverteilungen bei Abschalten aus kleinem Kollektorstrom in einem erfindungsgemäßen Transistor zu verschiedenen Zeitpunkten; FIG. 3b shows the charge carrier distributions at turn-off of a small collector current in a transistor according to the invention at different times;
Fig. 4a zeigt die Stromverläufe bei Abschalten aus kleinem Kollektorstrom in einem bekannten Transistor in einer ohmschen Testschaltung; FIG. 4a shows the current waveforms at turn-off of a small collector current in a known transistor in a resistive test circuit;
Fig. 4b zeigt die Stromverläufe bei Abschalten aus kleinem Kollektorstrom in einem erfindungsgemäßen Transistor in einer ohmschen Testschaltung; FIG. 4b shows the current waveforms at turn-off of a small collector current in a transistor according to the invention in a resistive test circuit;
Fig. 5 zeigt vertikale Dotierungsprofile des Transistors gemessen nach der Spreading-Resistance-Methode für zwei verschiedene Energien der Bestrahlung. FIG. 5 shows vertical doping profiles of the transistor measured according to the spreading resistance method for two different energies of the radiation.
Fig. 1a zeigt den Querschnitt einer Halbzelle eines streifenförmigen Transistors. Auf eine hoch dotierte N⁺-Kollektorzone 1, die mit einer Kollektormetallisierung C versehen ist, folgt die schwach dotierte N⁻-Kollektorzone 2, an die sich die p-leitende Basiszone 3 anschließt, in die in einem Teilbereich der Fläche die N⁺-Emitterzone 4 eingebettet ist. Die Emitterzone ist mit einer Metallisierung und einem Emitteranschluß E versehen, ebenso ist die Basiszone 3 in dem nicht von der Emitterzone bedeckten Bereich mit einer Metallisierung und einem Basisanschluß B ver sehen. Diese Dotierungsstruktur kann im Transistor nach dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Transistor weitgehend gleich sein. Letzterer unterscheidet sich vom bekannten Transistor aber dadurch, daß sich in der schwach dotierten N⁻-Kollektorzone am Übergang zur hoch dotierten Kollektorzone eine Rekombinationsschicht 5 angeordnet ist, die in der Fig. 1a schraffiert eingezeichnet ist. Innerhalb der Rekombinationsschicht 5 nimmt die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger um mindestens etwa zwei Zehnerpotenzen ab. FIG. 1a shows the cross section of a half-cell of a strip-shaped transistor. A heavily doped N⁺ collector zone 1 , which is provided with a collector metallization C, is followed by the lightly doped N⁻ collector zone 2 , which is followed by the p-type base zone 3 , into which the N⁺- Emitter zone 4 is embedded. The emitter zone is provided with a metallization and an emitter connection E, and the base zone 3 is also seen in the region not covered by the emitter zone with a metallization and a base connection B. This doping structure can be largely the same in the transistor according to the prior art and the transistor according to the invention. The latter differs from the known transistor in that a recombination layer 5 is arranged in the weakly doped N⁻ collector zone at the transition to the highly doped collector zone, which is shown hatched in FIG. 1a. Within the recombination layer 5 , the service life of the minority charge carriers decreases by at least about two powers of ten.
In Fig. 1b ist das vertikale Profil der Lebensdauer τ der Ladungsträger in einem bekannten (gestrichelte Linie) und einem erfindungsgemäßen Transistor (durchgezogene Linie) mit der Dotierungsstruktur nach Fig. 1a aufgetragen. Genauer ist die Lebensdauer τ dabei in der N⁻-Zone als die Lebensdauer bei hoher Injektion definiert, da diese die Rekombination dort bestimmt. Wie es die gestrichelte Linie zeigt, hat die Lebensdauer τ im bekannten Transistor über die ganze N⁻-Zone hinweg und noch ein Stück in die N⁺-Kollektor Zone hinein einen konstanten hohen Wert entsprechend einer konstanten Rekombinationszentrendichte. Im vorliegenden Fall be trägt die Lebensdauer 20 µs. Im Transistor nach der Erfindung ist die Lebens dauer im überwiegenden Teil der N⁻-Zone ebenfalls groß und in dem in der Fig. 1b dargestellten, bevorzugten Fall sogar größer als im bekannten Transistor. Am kollektorseitigen Ende der N⁻-Zone aber ist sie über einen Bereich von etwa 10 µm um etwa drei Zehnerpotenzen abgesenkt, um dann im N⁺-Gebiet wieder etwas anzustreigen. Es befindet sich also am kollektorseitigen Ende des N⁻-Gebietes eine Rekombinationsschicht 5. Ein solches Profil der Lebensdauer τ kann man durch Protonen- oder α-Teilchenbestrahlung von der Kollektor- oder Rückseite der Halbleiterscheibe aus erzeugen. Dabei ist die Bestrahlungsenergie so einzustellen, daß die Reichweite der Strahlung der Tiefe entspricht, in der die Lebensdauer erniedrigt werden soll. Die Bestrahlungsdosis zusammen mit der Temperatur und Zeitdauer des darauf folgenden Ausheilprozesses bestimmen den Grad der Lebensdauerabsenkung.In Fig. 1b, the vertical profile of the life and is τ of the charge carriers in a known (dashed line) of a transistor according to the invention (solid line) plotted with the doping structure according to Fig. 1a. More precisely, the lifetime τ is defined in the N⁻ zone as the lifetime with high injection, since this determines the recombination there. As the dashed line shows, the lifetime τ in the known transistor has a constant high value over the entire N⁻ zone and a little further into the N⁺ collector zone, corresponding to a constant recombination center density. In the present case, the lifespan is 20 µs. In the transistor according to the invention, the life in the major part of the N⁻ zone is also large and in the preferred case shown in FIG. 1b, even larger than in the known transistor. At the collector-side end of the N⁻ zone, however, it is lowered by about three powers of ten over a range of about 10 µm, in order to then return to the N⁺ area. There is therefore a recombination layer 5 at the collector end of the N⁻ region. Such a profile of the lifetime τ can be generated by proton or α-particle irradiation from the collector or back of the semiconductor wafer. The radiation energy must be set so that the range of the radiation corresponds to the depth at which the service life is to be reduced. The radiation dose together with the temperature and duration of the subsequent healing process determine the degree of reduction in lifespan.
Die Rekombinationsschicht 5 mit kleiner Lebensdauer soll im eingeschalteten Zustand bei Nennbetrieb nicht mit Ladungsträgern überschwemmt werden. Damit die Kollektoremitterspannung trotzdem nicht zu groß wird, z. B. nicht größer als 2 V, muß die Dicke der Rekombi nationsschicht 5 genügend klein sein. Die genauere Bedingung ist, daß die Dicke dieser Schicht multipliziert mit ihrem unmodulierten spezifischen Widerstand und der Nennstromdichte nur einen Spannungsabfall ergeben soll, der im Regelfall nicht größer als etwa 1 V bis 1.5 V ist.The recombination layer 5 with a short service life should not be flooded with charge carriers in the switched-on state during nominal operation. So that the collector emitter voltage is not too large, z. B. not greater than 2 V, the thickness of the recombination nation layer 5 must be sufficiently small. The more precise condition is that the thickness of this layer multiplied by its unmodulated specific resistance and the nominal current density should only result in a voltage drop, which is generally not greater than approximately 1 V to 1.5 V.
Die Wirkung der Rekombinationsschicht 5 wird vor allem durch ihre Rekombinationsgeschwindigkeit s bestimmt, die als Integral der reziproken Lebensdauer über die Dicke definiert ist. Beim erfindungsgemäßen Transistor soll die Rekombinationsgeschwindigkeit s größer als etwa 5000 cm/s sein. Eine zusätzliche Festlegung wird weiter unten angegeben.The effect of the recombination layer 5 is primarily determined by its recombination speed s, which is defined as the integral of the reciprocal lifetime over the thickness. In the transistor according to the invention, the recombination speed s should be greater than approximately 5000 cm / s. An additional specification is given below.
Die Rekombinationsschicht 5 kann sich auch in das N⁺-Gebiet hinein erstrecken. Jedoch ist im wesentlichen nur der im N⁻-Gebiet liegende Teil wirksam, da die Konzentration der Minoritätsladungsträger im N⁺-Gebiet klein ist. Bei Festlegungen der Rekombinationsgeschwindigkeit s bezieht sich diese daher nur auf den im N⁻-Gebiet liegenden Teil der Rekombinationsschicht 5. Bei diffundiertem N⁺-Kollektorgebiet und somit graduellem Übergang zwischen N⁻- und N⁺-Gebiet wird die Grenze zwischen beiden in diesem Zusammenhang so definiert, daß die Dotie rungskonzentration dort 1.1015/cm3 beträgt. Ein hinter dieser Grenze liegender Teil der Rekombinationsschicht ist nur stark vermindert wirksam (siehe Fig. 2).The recombination layer 5 can also extend into the N⁺ region. However, only the part located in the N Gebiet region is essentially effective, since the concentration of the minority charge carriers in the N⁺ region is small. When determining the recombination speed s, it therefore only relates to the part of the recombination layer 5 lying in the N⁻ region. In the case of a diffused N⁺ collector region and thus a gradual transition between the N⁻ and N⁺ region, the boundary between the two is defined in this context so that the doping concentration there is 1.10 15 / cm 3 . A part of the recombination layer lying behind this limit has only a greatly reduced effect (see FIG. 2).
Das vertikale Dotierungsprofil eines bekannten und erfindungsgemäßen Transistors in einem durch den Emitter verlaufenden Schnitt ist in Fig. 2 aufgetragen. Es handelt sich um einen dreifach diffundierten Transistor mit einer Sperrfähigkeit der Basis-Kollektorstruktur, VCBO, von etwa 1700 V. Auch Elektronen- und Löcherverteilungen, die für verschiedene Fälle im eingeschalteten Zustand durch numerische Simulation berechnet wurden, sind eingezeichnet (Kurven A, B, C). Bei einem Kollektorstrom pro Emitterrandlänge von 100 mA/cm und einem 10fach kleineren Basisstrom (Stromverstärkung β = 10) ergibt sich für den bekannten und den erfindungsgemäßen Transistor die gleiche durch die Kurve A gegebene Ladungsträgerverteilung. Die Lebensdauer in dem von der Leitfähigkeitsmodulation erfaßten Teil der N⁻-Zone ist dabei in beiden Fällen gleich 20 ms. Die N⁻-Zone ist von der Emitterseite her mit Elektronen und Löchern überschwemmt mit einer Konzentration, die hoch ist gegenüber der Dotierung. Nur ein kleiner Bereich am N⁻N⁺-Übergang rechts der ge strichelten Linie ist nicht von der Leitfähigkeitsmodulation erfaßt. Der Transistor befindet sich somit im Zustand der Quasisättigung, jedoch ist die Kollektoremitterspannung wegen der geringen Dicke des unmodulierten Gebiets noch gering, und zwar etwa gleich 1.5 V in diesem Fall.The vertical doping profile of a known transistor according to the invention in a section running through the emitter is plotted in FIG. 2. It is a triple-diffused transistor with a blocking capacity of the base collector structure, V CBO , of approximately 1700 V. Electron and hole distributions, which were calculated for various cases when switched on by numerical simulation, are also shown (curves A, B , C). With a collector current per emitter edge length of 100 mA / cm and a 10 times smaller base current (current gain β = 10), the same charge carrier distribution given by curve A results for the known transistor according to the invention. The service life in the part of the N⁻ zone covered by the conductivity modulation is equal to 20 ms in both cases. The N⁻ zone is flooded with electrons and holes from the emitter side with a concentration that is high compared to the doping. Only a small area at the N⁻N⁺ transition to the right of the dashed line is not covered by the conductivity modulation. The transistor is thus in the quasi-saturation state, but the collector-emitter voltage is still low owing to the small thickness of the unmodulated region, namely approximately equal to 1.5 V in this case.
Bei Erniedrigung des Kollektorstroms geht der Transistor bei gegebenem Basisstrom bald in die Sättigung. Die Sättigungsverteilung in dem bekannten Transistor bei einer um den Faktor 10 reduzierten Kollektorstromdichte und unverändertem Basisstrom ist in Fig. 2 als Kurve B eingezeichnet. Der Kollektor- und Basisstrom sind gleich und betragen pro Emitterrandlänge 10 mA/cm. Wie zu erkennen, ist die Injektion nun in der ganzen N⁻-Zone bis in die N⁺-Zone hinein hoch. Wie oben beschrieben, hat das hohe Abschaltverluste zur Folge. Dabei ist die Lebensdauer mit 20 µs schon wesentlich niedriger angenommen, als man sie mit Rücksicht auf einen hohen Stormverstärkungsfaktor allein wählen würde.When the collector current is lowered, the transistor soon saturates at a given base current. The saturation distribution in the known transistor with a collector current density reduced by a factor of 10 and unchanged base current is shown as curve B in FIG. 2. The collector and base current are the same and amount to 10 mA / cm per emitter edge length. As can be seen, the injection is now high in the entire N⁻ zone up to the N⁺ zone. As described above, this results in high switch-off losses. At 20 µs, the lifespan is assumed to be considerably lower than would be chosen with a high storm amplification factor alone.
Die Kurve C in Fig. 2 gilt für den erfindungsgemäßen Transistor bei einem bis auf den Basisstrom reduzierten Kollektorstrom. Hierbei ist die Lebensdauer in der Schicht zwischen y = 140 und 150 µm auf einen Wert von 50 ns reduziert, während sie im übrigen Teil der N⁻-Zone wie bei den Kurven A und B 20 µs beträgt. Wie für Kurve B betragen die Ströme pro Emitterrandlänge 10 mA/cm. Wie zu erkennen, ist die Ladungsträgerkonzentration in der Umgebung des N⁻N⁺-Übergangs nun ungefähr um eine Zehnerpotenz kleiner als am Übergang zur P-Zone und auch hier noch deutlich kleiner als für den bekannten Transistor.Curve C in FIG. 2 applies to the transistor according to the invention with a collector current reduced to the base current. Here, the life span in the layer between y = 140 and 150 µm is reduced to a value of 50 ns, while in the rest of the N⁻ zone it is 20 µs as in curves A and B. As for curve B, the currents per emitter edge length are 10 mA / cm. As can be seen, the charge carrier concentration in the vicinity of the N⁻N⁺ junction is now approximately a power of ten smaller than at the junction to the P zone and here, too, significantly lower than for the known transistor.
In Fig. 3a, 3b ist dargestellt, wie die Ladungsträgerkonzentraton in der N⁻-Zone des bekannten (Fig. 3a) und des erfindungsgemäßen Transistors (Fig. 3b) beim Abschalten abgebaut wird. Die für die verschiedenen Zeitpunkte angegebenen Ladungsträgerverteilungen wurden für den Fall berechnet, daß mit negativem Basisstrom, der die Größe des positiven Basisstroms im eingeschalteten Zustand hat, gegen eine äußere Spannung von 300 V abgeschaltet wird, wobei die Last als ohmsch angenommen ist. Im eingeschalteten Zustand, der bis zur Zeit t = 0 gilt, ist die gespeicherte Ladung Q = q ∫pdx im Transistor nach der Erfindung um den Faktor 2.7 kleiner als im bekannten Transistor. Diese Ladung wird im erfindungsgemäßen Transistor beim Abschalten mit gleichem negativen Basisstrom entsprechend schneller ausgeräumt. Außer der kleineren anfänglichen Speicherladung wirkt sich beim Transistor nach der Erfindung auch günstig aus, daß während des Abschaltvorgangs viele Elektronen und Löcher zur Rekombinationsschicht fließen und dort rekombinieren. Das ist in Fig. 3b am Gradient der Ladungsträgerkonzentrationen zur Rekombinationsschicht hin zu erkennen. Der pn-Übergang zwischen Basis und N⁻-Kollektorzone ist beim bekannten Transistor nach 9 µs, beim erfin dungsgemäßen Transistor nach etwa 2.5 µs von Ladungsträgern frei geräumt und beginnt zu sperren. Die dadurch definierte Speicherzeit ist demnach um den Faktor 3.6 reduziert. Auch die darauf folgende Phase der Fallzeit, in der die Spannung am Bauelement ansteigt und der Kollektorstrom abfällt, ist stark herabgesetzt.In Fig. 3a, 3b it is shown how the Ladungsträgerkonzentraton in the N⁻-zone of the prior art (Fig. 3a) and of the transistor according to the invention (Fig. 3b) is broken down when switched off. The charge carrier distributions given for the different times were calculated in the event that a negative base current, which has the magnitude of the positive base current in the switched-on state, is used to switch off against an external voltage of 300 V, the load being assumed to be ohmic. In the switched-on state, which applies until time t = 0, the stored charge Q = q ∫pdx in the transistor according to the invention is 2.7 times smaller than in the known transistor. This charge is cleared out correspondingly faster in the transistor according to the invention when it is switched off with the same negative base current. In addition to the smaller initial storage charge, the transistor according to the invention also has a favorable effect in that many electrons and holes flow to the recombination layer during the switch-off process and recombine there. This can be seen in FIG. 3b by the gradient of the charge carrier concentrations towards the recombination layer. The pn junction between the base and N⁻ collector zone is cleared of charge carriers in the known transistor after 9 μs, in the transistor according to the invention after about 2.5 μs, and begins to block. The storage time defined in this way is therefore reduced by a factor of 3.6. The subsequent phase of the fall time, in which the voltage at the component rises and the collector current drops, is also greatly reduced.
In Fig. 4 sind die zu Fig. 3 gehörigen Verläufe von Kollektor- und Basisstrom aufgeplottet. Die starke Verkleinerung der Abschaltzeit beim erfindungsgemäßen Transistor tritt unmittelbar in Erscheinung. Die Verkürzung der Speicherzeit, während welcher der Kollektorstrom noch konstant bleibt, ist unter anderem deshalb erwünscht, weil die ohmschen Verluste in Schaltungen dadurch oft verkleinert werden. Die Verluste im Transistor entstehen überwiegend während der Fallphase, in der Strom und Spannung gleichzeitig hoch sind. Im Fall des in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels sind die Abschaltverluste im erfindungsgemäßen Transistor um den Faktor 3.5 kleiner als im bekannten Transistor. In FIG. 4, the curves of the collector and base currents belonging to FIG. 3 are plotted. The sharp reduction in the switch-off time in the transistor according to the invention appears immediately. The shortening of the storage time during which the collector current remains constant is desirable, among other things, because the ohmic losses in circuits are often reduced as a result. The losses in the transistor mainly arise during the fall phase, in which the current and voltage are high at the same time. In the case of the exemplary embodiment shown in FIG. 4, the turn-off losses in the transistor according to the invention are smaller by a factor of 3.5 than in the known transistor.
Ein wichtiger Vorteil des Transistors nach der Erfindung besteht darin, daß die Abschaltverlustarbeit zum Unterschied von üblichen Transistoren nur sehr wenig mit der Temperatur ansteigt, wie Messungen zeigen. Dies liegt in der Hauptsache darin begründet, daß die Rekombinationsgeschwindigkeit s zwar mit zunehmender Temperatur abnimmt, jedoch bei der angegebenen Festlegung auch bei erhöhter Temperatur, z. B. 150°C, immer noch groß genug ist, um die Abschaltverluste nahe ihrem Minimum zu halten. Daß die durch die Protonenbestrahlung eingestellte Lebensdauer an sich schon weniger von der Temperatur abhängt als bei Elektronenbestrahlung, kommt als Nebeneffekt noch hinzu.An important advantage of the transistor according to the invention is that the switch-off loss work in contrast to conventional transistors only very little increases with temperature, as measurements show. This is in the main reason is that the recombination speed s decreases with increasing temperature, but at the specified Determination even at elevated temperatures, e.g. B. 150 ° C, still large is enough to keep the shutdown losses close to their minimum. That the the lifetime set by the proton radiation itself less depends on the temperature than with electron radiation as a side effect.
In den Fig. 2 bis 4 war die Lebensdauer in der N⁻-Zone des erfindungs gemäßen Transistors außerhalb der Rekombinationsschicht wie im bekannten Transistor gleich 20 µs gesetzt, um allein den Einfluß der Rekombinationsschicht zu demonstrieren. Bevorzugt wird die Lebensdauer in dem nicht zur Rekombinationsschicht gehörenden Teil der N⁻-Zone aber größer gewählt, als man sie im bekannten Transistor mit Rücksicht auf die Schaltverluste wählen würde. Im erfindungsgemäßen Transistor wählt man sie beispielweise 70 µs, verglichen mit 20 µs im bekannten. Dadurch erhält man bei gegebener Kollektor-Emitter-Spannung VCE und gegebener Kollektorstromdichte jC einen höheren Stromverstärkungsfaktor. Dies kann man auch in der Weise nutzen, daß man die Kollektorstromdichte erhöht und den Stromverstärkungsfaktor auf den alten Wert einstellt. Somit benötigt man bei gleichem Stromverstärkungsfaktor für den gleichen Strom eine kleinere aktive Halbleiterfläche, so daß, abgesehen von den großen Vorteilen der Rekombinationsschicht für das Schaltverhalten, außerdem die Fertigungskosten reduziert werden.In Figs. 2 to 4, the life was set in the N⁻-zone of the transistor according to Inventive outside of the recombination, as in the known transistor equal to 20 microseconds to solely to demonstrate the influence of the recombination. However, the service life in the part of the N⁻ zone that does not belong to the recombination layer is preferably chosen to be longer than would be chosen in the known transistor with regard to the switching losses. In the transistor according to the invention, for example, it is chosen to be 70 μs, compared to 20 μs in the known one. This gives a higher current amplification factor for a given collector-emitter voltage V CE and a given collector current density j C. This can also be used by increasing the collector current density and setting the current amplification factor to the old value. Thus, with the same current amplification factor, a smaller active semiconductor area is required for the same current, so that, apart from the great advantages of the recombination layer for the switching behavior, the manufacturing costs are also reduced.
Um zu einer weiteren Spezifizierung der Rekombinationsschicht zu
kommen, kann man ihre Dicke als klein gegen die Dicke w der N⁻-Zone
voraussetzen. Bei verschwindendem Kollektorstrom und gegebenen
positiven Basisstrom gilt dann für den Elektronen- und Löcherteilchen
strom, der in die Rekombinationsschicht fließt,
In order to come to a further specification of the recombination layer, its thickness can be assumed to be small compared to the thickness w of the N⁻ zone. When the collector current disappears and the base current is positive, the current for the electron and hole particle current flowing into the recombination layer is
Dabei bedeuten pp, pn die Löcherkonzentration in der N⁻-Zone an der
Basisseite bzw. der N⁺-Kollektorseite (in der Rekombinationsschicht), D die
ambipolare Diffusionskonstante und s die Rekombinationsgeschwindigkeit
der Rekombinationsschicht. Die ambipolare Diffusionslänge in der N⁻-Zone
wird dabei größer als die Dicke w vorausgesetzt. Aus der Forderung, daß die
Konzentration pn an der Rekombinationsschicht klein gegenüber pp sein
soll, erhält man aus obiger Gleichung die Bedingung s » D/w. Unter
Berücksichtigung des numerischen Wertes für D in Silizium kann man dies
umschreiben in
Here, p p , p n mean the hole concentration in the N⁻ zone on the base side or on the N⁺ collector side (in the recombination layer), D the ambipolar diffusion constant and s the recombination speed of the recombination layer. The ambipolar diffusion length in the N⁻ zone is assumed to be greater than the thickness w. From the requirement that the concentration p n at the recombination layer should be small compared to p p , the condition s »D / w is obtained from the above equation. Taking into account the numerical value for D in silicon, this can be described as
Bei dieser Wahl der Rekombinationsgeschwindigkeit ist die injizierte Ladungsträgerkonzentration am N⁻N⁺-Übergang im eingeschalteten Zustand auch bei verschwindendem oder geringem Kollektorstrom klein, so daß Sättigungseffekte weitgehend eliminiert sind.With this choice of the recombination speed the injected one is Charge carrier concentration at the N⁻N⁺ transition when switched on Condition small even when the collector current disappears or is low, see above that saturation effects are largely eliminated.
Experimentelle Untersuchungen ergaben, daß Protonenbestrahlung mit einer Fluenz in dem Bereich 3.1011/cm2 bis 3.1012/cm2 in Verbindung mit einer nachfolgenden kurzen Ausheilung besonders geeignet ist, eine Rekombinationsschicht mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Aber auch etwas außerhalb dieses Bereichs liegende Bestrahlungsdosen führen bei passender Ausheilung zu guten Ergebnissen. Da die zu durchstrahlende N⁺-Kollektorzone bei Transistoren relativ dick ist (< 150 µm), muß die Protonenenergie entsprechend hoch gewählt werden, in der Regel größer als 4 MeV. Auf die Protonenbestrahlung folgt ein Prozeßschritt zur Ausheilung. Dieser findet vorteilhaft bei 300-400°C und einer Zeitdauer von 5-20 Minuten statt.Experimental investigations have shown that proton radiation with a fluence in the range from 3.10 11 / cm 2 to 3.10 12 / cm 2 in connection with a subsequent short healing is particularly suitable for producing a recombination layer with the desired properties. However, radiation doses slightly outside this range also lead to good results if the healing is suitable. Since the N⁺ collector zone to be irradiated is relatively thick for transistors (<150 µm), the proton energy must be chosen to be correspondingly high, generally greater than 4 MeV. Proton radiation is followed by a process step for healing. This takes place advantageously at 300-400 ° C and a period of 5-20 minutes.
Im Prinzip kann die Rekombinationsschicht auch durch Bestrahlung mit Teilchen erzeugt werden. Die erforderlichen Energien, die infolge der höheren Teilchenladung bei gegebener Dicke der N⁺-Kollektorzone benötigt wird, müssen entsprechend der gewünschten Eindringtiefe angepaßt werden. Im Gegensatz zur Bestrahlung mit Protonen tritt bei der Bestrahlung mit α-Teilchen kein zusätzlicher Dotierungseffekt auf. Bei Transistoren mit PNP-Struktur ist das sogar von Vorteil.In principle, the recombination layer can also be irradiated with Particles are generated. The energy required as a result of higher particle charge for a given thickness of the N⁺ collector zone is adjusted according to the desired depth of penetration will. In contrast to the radiation with protons occurs at the Irradiation with α-particles has no additional doping effect. At This is even an advantage for transistors with a PNP structure.
Wie schon erwähnt, ruft die Protonenbestrahlung außer der Rekombinationsschicht auch eine Leitfähigkeitsdotierung vom n-Typ in dieser Schicht hervor. Während die Dotierungsschicht bei Dioden die Durchbruchspannung reduziert, da sie am pn-Übergang liegt, kann sie beim Transistor nach der Erfindung genutzt werden, um dessen Schalteigenschaften weiter zu verbessern. Die Bestrahlungsenergie und -dosis werden dazu so gewählt, daß die erzeugte zusätzliche n-Leitfähigkeit noch deutlich in der N⁻-Zone vor dem N⁺-Kollektorgebiet liegt und die Gesamtdotierung dort etwa um den Faktor 2 bis 10 erhöht. Hierdurch wird erreicht, daß bei Nennbetrieb, bei dem diese Schicht nicht mit Ladungsträgern überschwemmt ist, die Kollektoremitterspannung VCE bei gegebenem Stromverstärkungsfaktor hFE reduziert oder der Stromverstärkungsfaktors hFE bei gegebenem VCE erhöht wird.As already mentioned, in addition to the recombination layer, the proton irradiation also causes an n-type conductivity doping in this layer. While the doping layer in diodes reduces the breakdown voltage since it lies at the pn junction, it can be used in the transistor according to the invention in order to further improve its switching properties. The radiation energy and dose are chosen so that the additional n-conductivity generated is still clearly in the N⁻ zone in front of the N⁺ collector area and the total doping increases there by about a factor of 2 to 10. It is hereby achieved that during nominal operation in which this layer is not flooded with charge carriers, the collector emitter voltage V CE is reduced for a given current gain factor h FE or the current gain factor h FE is increased for a given V CE .
Zu einem weiteren wichtigen Vorteil kann der Dotierungseffekt bei Transistoren mit epitaktischer N⁻N⁺-Struktur genutzt werden. Solche Transistoren besitzen nur einen kleinen SOA-Bereich. Um den SOA-Bereich zu vergrößern, wird zwischen der schwach und der hoch dotierten Kollektorzone oft eine Bufferzone mittlerer Dotierung angeordnet. Dadurch kann ein zweiter Durchbruch, der bei höheren Stromdichten und Spannungen durch zu hohe Feldstärke am N⁻N⁺-Übergang hervorgerufen wird, verhindert oder zu höheren Strom- und Spannungswerten hinausgeschoben werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird nun die durch die Protonenbestrahlung erzeugte Dotierungsschicht genutzt, um ohne die epitaktische Bufferzone bekannter Transistoren einen ähnlichen SOA-Bereich zu erreichen. Das hat den Vorteil, daß von kostengünstigeren Wafern ausgegangen werden kann und zusätzlich die beschriebenen Verbesserungen durch die Rekombinationsschicht erzielt werden.The doping effect can contribute to another important advantage Transistors with epitaxial N⁻N⁺ structure can be used. Such Transistors have only a small SOA range. To the SOA area too enlarge, is between the weak and the highly endowed Collector zone often arranged a buffer zone with medium doping. Thereby can be a second breakthrough at higher current densities and Voltages caused by excessive field strength at the N⁻N⁺ junction is prevented or to higher current and voltage values be pushed out. In one embodiment of the invention the doping layer generated by the proton radiation is used to a similar one without the epitaxial buffer zone of known transistors To reach the SOA area. This has the advantage of being less expensive Wafers can be assumed and in addition the described Improvements can be achieved through the recombination layer.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird nun die epitaktische Bufferzone fortgelassen und die durch die Protonenbestrahlung erzeugte Dotierungsschicht genutzt, um einen ähnlichen SOA-Bereich zu erreichen. Das hat den Vorteil, daß die Ausgangswafer billiger sind und zusätzlich die beschriebenen Verbesserungen durch die Rekombinationsschicht erzielt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mit zwei oder mehreren verschiedenen Energien bestrahlt, die sich jeweils um etwa 100 bis 150 keV unterscheiden. Infolge der verschiedenen Reichweite der einzelnen Anteile kann so eine relativ homogene Dotierung in der Rekombinationsschicht erreicht werden.In one embodiment of the invention, the epitaxial buffer zone omitted and the one generated by proton radiation Doping layer used to achieve a similar SOA range. This has the advantage that the starting wafers are cheaper and additionally the described improvements achieved by the recombination layer will. In a further embodiment of the invention, two or irradiated several different energies, each around 100 up to 150 keV. Due to the different range of the a relatively homogeneous doping in the individual portions Recombination layer can be achieved.
Die Fig. 5 zeigt vertikale Dotierungsprofile eines Transistors nach der Erfindung für zwei verschiedene Energien der Bestrahlung. Die Profile wurden nach der Spreading-Resistance-Methode gemessen. Die Energien betrugen bei dem angegebenen Ausführungsbeispiel bei einer Dicke der hochdotierten Kollektorzone 1 von ca. 180 µm 4.45 MeV (gestrichelte Linie in Fig. 5) und 4.6 MeV (durchgezogene Linie in Fig. 5), die Bestrahlungsdosis war 1.1012/cm2. Die beiden verwendeten Bestrahlungsenergien unterscheiden sich hier um 150 keV. Der Absolutwert muß im Einzelfall an die Dicke der N⁺-Zone und des Kollektorkontakts angepaßt werden. Im diesem Fall ist die Dotierungskonzentration im Bereich der Rekombinations schicht bis etwa um den Faktor 4 erhöht, wie die Figur zeigt. Durch Überlagerung der beiden durch die Bestrahlung erzeugten Dotierungsverläufe ergibt sich ein der N⁺-Zone Vorgelagerter Bereich 140 < X < 160 µm mit annähernd konstanter erhöhter Dotierungskonzentration von etwa 2.1014/cm3. Dies führt zu den oben erwähnten Verbesserungen. FIG. 5 shows vertical doping profiles of a transistor according to the invention for two different energies of the radiation. The profiles were measured using the spreading resistance method. The energies in the exemplary embodiment given were 4.45 MeV (dashed line in FIG. 5) and 4.6 MeV (solid line in FIG. 5) with a thickness of the highly doped collector zone 1 of approximately 180 μm, the radiation dose was 1.10 12 / cm 2 . The two radiation energies used differ by 150 keV. The absolute value must be adapted to the thickness of the N⁺ zone and the collector contact in individual cases. In this case, the doping concentration in the region of the recombination layer is increased by approximately a factor of 4, as the figure shows. By superimposing the two doping profiles generated by the irradiation, an area 140 <X <160 µm upstream of the N⁺ zone is obtained with an approximately constant increased doping concentration of approximately 2.10 14 / cm 3 . This leads to the improvements mentioned above.
Claims (14)
wobei w die Dicke der schwach dotierten Kollektorzone (2) bezeichnet.6. Bipolar switching transistor according to one of claims 1-5, characterized in that the recombination speed s of the recombination layer ( 5 ) satisfies the condition:
where w denotes the thickness of the weakly doped collector zone ( 2 ).
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1997126126 DE19726126A1 (en) | 1997-06-20 | 1997-06-20 | Bipolar switching transistor with reduced saturation |
| PCT/EP1998/003295 WO1998059376A1 (en) | 1997-06-20 | 1998-06-03 | Bipolar switching transistor with reduced saturation |
| TW87109335A TW437087B (en) | 1997-06-20 | 1998-06-12 | Bipolar switching transistor with reduced saturation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1997126126 DE19726126A1 (en) | 1997-06-20 | 1997-06-20 | Bipolar switching transistor with reduced saturation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19726126A1 true DE19726126A1 (en) | 1998-12-24 |
Family
ID=7833070
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1997126126 Ceased DE19726126A1 (en) | 1997-06-20 | 1997-06-20 | Bipolar switching transistor with reduced saturation |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19726126A1 (en) |
| TW (1) | TW437087B (en) |
| WO (1) | WO1998059376A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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