DE2050289A1 - - Google Patents
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Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, insbesondere
eine Verbindung mit der Steuerelektrode einer Halbleitervorrichtung mit Steuer- oder Gatterelektrode.
Bei Halbleitervorrichtungen mit einer Steuerelektrode, beispielsweise
bei Transistoren oder gesteuerten Halbleiter-Gleichrichterelementen (ζ. B. Thyristoren) steigt der Seltenwiderstand des
Halbleitersubstrats mit der Oberfläche desselben, so daß die Steuerwirkung der Steuerelektrode auf den Emitter- oder Kathodenbereich
mit dem Abstand von der Steuerelektrode abnimmt. Insbesondere bei Leistungs-Halbleltervorrichtungen wird wegen der
Fläche des Emitter- oder Kathodenbereiches (diese Bereiche sollen im folgenden nur noch als "Emitterbereich" bezeichnet werden),
wird dies zu einer ernsten Schwierigkeit. Aus diesem Grunde wird
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beispielsweise bei gesteuerten Leistungs-Halt>leiter-Gleiehrichterelementen
die Steuerelektrode ringförmig oder kammartig ausgeführt. Bei Transistoren wird eine abgewandelte Kammform oder
ein Schichtaufbau verwendet, um die Anordnung des Steuerelektrodenbereiches
gegenüber dem Kathodenbereieh zur Beseitigung des oben beschriebenen Mangels zu verbessern. Bei diesen bekannten
Bauarten ist jedoch die gegenseitige Anordnung zwischen der Steuerelektrode (d. h. der Basiselektrode bei Transistoren und
der Gatterelektrode bei Thyristoren) und der Emitterelektrode
(d. h. der Kathodenelektrode bei Thyristoren) äußerst schwierig. Andererseits ist aber der Effektivwert des Haupt- oder Ausgangsstromes
eines Halbleiterelementes mit einer Steuerelektrode abhängig von der Fläche der Emitterelektrode im Leistungs-Halbleiterelement,
so daß es wichtig ist, die Fläche der Emitterelektrode möglichst groß zu machen. Da^ei bekannten Halbleitervorrichtungen
der Aufbau der Leiter der Emitter- und Steuerelektrode äußerst kompliziert ist, war es bisher nicht möglich,
die Fläche der Steuerelektrode zu vergrößern, so daß es bisher schwierig war, Hochleistungs-Halbleiterelemente herzustellen.
Wird die Fläche der Gatterelektrode eines gesteuerten Halbleiter-Gleichrichterelementes
vergrößert, so steigt der zur Zündung notwendige Gatterstrom. Diese Schwierigkeit muß ebenfalls gelöst
werden. Ferner ist es wünschenswert, die Strom-Anstiegsgeschwindigkeit
di/dt in Durchlaßrichtung durch gleichzeitige Zündung des gesamten Kathodenbereiches zu erhöhen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher in der Hauptsache die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, bei
der die gegenseitige Anordnung der Steuer- und Emitterelektrode wesentlich vereinfacht ist. Weiter soll eine gittergesteuerte
Halbleitervorrichtung angegeben werden, bei der die Steuerelektrode den gesamten Emitterbereich bei vereinfachter gegenseitiger
Anordnung der Steuer- und Emitterelektrode wirkungsvoll
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steuern kann. Ferner soll ein gittergesteuertes Halbleiteroder Gleichrichterelement mit vereinfachter gegenseitiger Anordnung
der Steuer- und Emitterelektrode angegeben werden, bei dem die Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstroms erhöht ist.
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung umfaßt wenigstens eine
erste, zweite und dritte Halbleiterschicht abwechselnden Leitfähigkeitstyps,
wobei die erste Elektrode elektrisch mit der letzten Schicht verbunden ist und zeichnet sich dadurch aus,
daß die erste Schicht wenigstens einen Hauptbereich mit einer Fläche enthält, in der Teile der zweiten Schicht in Höhe der
Oberfläche der ersten Schicht freiliegen, indem sie durch die erste Schicht hindurchgehen, sowie ferner durch eine zweite Elektrode,
die mit den freiliegenden Teilen der zweiten Schicht in Ohm'schem Kontakt steht, und durch eine dritte, über dem Hauptbereich
der ersten Schicht liegende Elektrode, die von der darunterliegenden zweiten Elektrode und von den freiliegenden
Teilen der zweiten Schicht isoliert ist, wobei die dritte Elektrode in Ohm'schem Kontakt mit dem Hauptbereich in der ersten
Schicht steht, so daß sie die zweite Elektrode und die freiliegenden Teile in der zweiten Schicht abdeckt.
Die zweite Elektrode bildet eine Steuerelektrode, die dritte Elektrode eine Emitterelektrode. Da erfindungsgemäß die Emitterelektrode
über der Steuerelektrode liegt und von dieser isoliert ist, können diese Elektroden ordentlich und sauber angeordnet
werden. Diese Anordnung ermöglicht es, die erste, die Emitterschicht bildende Halbleiterschicht und die zweite, die Steuerelektrodenschicht
bildende Halbleiterschicht in komplizierten Formen in im wesentlichen der gleichen Ebene anzuordnen. Der
richtige Aufbau der Emitterschicht und des Steuerelektrodenbereiches ermöglicht eine wirkungsvolle Steuerung des gesamten
Emitterbereiches durch die Steuerelektrode. Durch diese Elektrodenanordnung werden ferner die Flächen des Emitterbereiches
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2U5O2
und des Steuerelektrodenbereiches vergrößert. Somit können durch die vorliegende Erfindung die bisherigen Grenzen beim Aufbau
von Leistungs-Halbleitervorrichtungen überwunden werden.
Erfindungsgemäß können Transistoren hergestellt werden, deren
Substrat drei Halbleiterschichten mit verbesserter gegenseitiger Anordnung der Emitterelektrode und der Basiselektrode besitzt,
sowie gesteuerte Halbleiter-Gleichrichterelemeiie mit einem
Substrat mit vier Halbleiterschichten mit verbesserter gegenseitlger Anordnung der Gateelektrode und der Kathodenelektrode.
Ferner können erfindungsgemäß gesteuerte Halbleiter-Gleichrichterelemente
mit erhöhter Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstromes hergestellt werden indem der ersten Schicht ein Hilfsbereich
zugefügt und dieser Hilfsbereich in der richtigen Weise angeordnet wird, wobei eine vierte Elektrode an der zweiten
Elektrode und dem Hauptbereich befestigt ist.
Anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten beispielsweisen
Ausführungsformen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen sind einige Bereiche in vergrö-
f ßerter Darstellung gezeigt. Es zeigen:
. Pig. 1A eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Thyristors;
Fig. 1B einen Querschnitt längs der Linie IB-IB in Flg. IA;
Flg. JC eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Fig. 1B;
Flg. 2A die Draufsicht einer zweiten, abgewandelten Ausführungsform eines Thyristors;
Fig. 2B einen Querschnitt längs der Linie IIB-IIB in Fig. 2A;
Figuren 3 und 4 Draufsichten zweier weitere Ausführungsformen
eines Thyristors;
Fig. 5A die Draufsicht eines erfindungsgemäßen Transistors;
Fig. 5B einen Querschnitt längs der Linie VB-VB In Flg. 5A; Fig. 6k eine Draufsicht eines Thyristors, bei dem die erste
Schicht des Halbleitersubstrats einen Hauptbereich und
einen vom Hauptbereich getrennten Hilfsbereich enthält;
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Pig. 6b einen Schnitt des in Fig. 6k gezeigten Thyristors längs
der Linie VIB-VIB;
Fig. 60 einen Schnitt längs der Linie VIO-VIO in Fig. 6k;
Fig. 7Δ eine Draufsicht einer abgewandelten Ausführungsform
des in Fig. 6 gezeigten Thyristors;
Fig. 7B einen Querschnitt längs der Linie VIIB-VIIB des in Fig. 7A gezeigten Thyristors;
Fig. 8 eine Draufsicht eines weiteren abgewandelten Thyristors;
Fig. 9 die Draufsicht einer achten, abgewandelten Ausfürhungsform
eines Thyristors;
Fig. 1OA die Draufsicht einer neunten abgewandelten Ausführungsform
eines Thyristors;
Fig. 1OB einen Querschnitt längs der Linie XB-XB in Fig. 1OA;
Fig. 11 die Draufsicht einer zehnten abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thyristors;
Fig. 11B einen Querschnitt längs der Linie XIB-XIB in Fig. 11A;
Fig. 12A eine elfte abgewandelte Ausführungsform eines Thyristors,
bei dem die erste Schicht des Halbleitersubstrats einen Hauptbereich und einen diesen berührenden Hilfsbereich
enthält;
Fig. 12B einen Querschnitt des in Fig. 12A gezeigten Thyristors längs der Linie XIIB-XIIB;
Fig. 13 eine Draufsicht einer abgewandelten Ausführungsform des in Fig. 12A und 12B gezeigten Thyristors;
Fig. 14 eine Draufsicht einer zweiten abgewandelten Ausführungsform des in den Figuren 12A und 12B gezeigten Thyristors
und
Fig. 15 die Draufsicht einer dritten Ausführungsform des in den
Figuren 12A und 12B gezeigten Thyristors.
Figuren 1A und 1B zeigen einen Thyristor mit einem Halbleitersubstrat
1, das vier Schichten umfaßt, nämlich eine erste Schicht N1, eine zweite Schicht P1, eine dritte Schicht^ und eine vierte
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Schicht P2, die abwechselnd von unterschiedlichen Leltfähigkeitstyp
sind und aufeinandergeschichtet sind. Mit der vierten Schicht
P2 ist über eine Aluminiumschient 2 eine erste oder Anodenelektrode
3 verbunden. Die erste Schicht N1 umfaßt einen Hauptbereich
mit mehreren Flächen, durch die Teile der zweiten Schicht P1 an
der Oberfläche der ersten Schicht N1 freiliegen. An den freiliegenden
Teilen 4 sind mehrere zweite oder Gateelektroden 5 befestigt,
die Ohm'sche Kontakte bilden. Wie in Fig. 1A gezeigt ist, sind die Enden der Gateelektroden 5 gemeinsam mit einer Haupt-Gateelektrode
6 verbunden. Mit der ersten Schicht N1 steht eine dritte oder Kathodenelektrode 7 in Ohmischem Kontakt, die über
den Gateelektroden und den freiliegenden Bereichen 4 der zweiten
Schicht liegt. Auf die beiden aneinander angrenzenden freiliegenden Teile 4 und die dazwischen liegende Gateelektrode 5 ist ein
Isolierfilm 8 aus SlO2, SlO oder niedrigschmelzendem Glas aufgebracht,
so daß die Teile 4 und die Gateelektrode 5 elektrisch von der Kathodenelektrode 7 isoliert sind. Die Gateelektroden
5 sind gleichmäßig über die erste Schicht N1 und den Kathodenbereich
in den in der Kathodenelektrode 7 ausgebildeten Leitungskanälen verteilt und hiervon isoliert.
Diese Halbleitervorrichtung kann beispielsweise auf folgende Weise hergestellt werden. Zunächst wird ein η-leitendes Halbleitersubstrat
hergestellt und ein dreivalentes Metall, beispielsweise Ga in die einander gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats
als Verunreinigung eindiffundiert, so daß sich ein Halbleitersubstrat mit drei Schichten P1, N2 und P2 bildet. Darauf
wird durch selektive Diffusion die erste Schicht N1 In der Schicht
P1 gebildet (Fig. 1B). In den freiliegenden Teilen 4 zwischen
den in einem Abstand voneinander liegenden Teilen der Schicht N1 werden durch Diffusion j)+-leitende Bereiche 9 gebildet, um
die Ohm'sche Verbindung mit den Gateelektroden 5 zu erleichtern, die auf den P+-IeItenden Bereichen ausgebildet werden, indem
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durch Vakuum-Dampfabscheidung oder galvanisch ein geeignetes
Metall aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen der Isolierschichten 8 auf den freiliegenden Bereichen 4 der Schicht M1 und den
darin enthaltenen Gateelektroden 5 wird aus der Dampfphase ein Metall wie Aluminium oder Gold aufgebracht, um die Kathoden-
2 elektrode 7 zu bilden. Über eine dünne Schicht aus Aluminium
wird nach dem Legierungsverfahren eine Anodenelektrode 3 aus Wolfram oder Molybdän an der Halbleiterschicht P2 befestigt. Die
Anodenelektrode 3 dient ferner als Temperaturausg^leichsplatte.
Zur Steuerung des zwischen Kathoden- und Anodenelektrode fließenden
Stroms (Anodens.trom) wird an die Gateelektroden 5 und die Kathodenelektrode 7 eine Steuerspannung angelegt. Da, wie oben
beschrieben, die Gateelektroden 5 gleichmäßig über die gesamte
Oberfläche des Kathodenbereiches (Schicht H1) verteilt sind, ist
es erfindungsgemäß möglich, die Vorspannung in Durchlaßrichtung gleichmäßig über die gesamte Fläche des Kathodenbereiches anzulegen,
so daß der Thyristor gleichzeitig an der gesamten Fläche des Kathodenbereiohes gezündet wird. Hierdurch wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit,
d. h. di/dt des Anodenstroms wesentlich erhöht und die^chaltzeit des Thyristors wesentlich verringert.
Erfindungsgemäß ist es daher äußerst einfach, die Gateelektroden
5 in komplizierter Anordnung im Kathodenbereich 7 zu verteilen.
Die erfindungsgemäßaHalbleitervorrichtung kann in einer großen
Anzahl von Ausführungsformen ausgebildet werden, von denen einige im folgenden beschrieben werden sollen.
Bei der in den Figuren 2A und 2B gezeigten abgewandelten Ausführungsform
eines Thyristors sind die Gateelektroden 5 radial angeordnet und die gemeinsame Gateelektrode 6 ringförmig ausgebildet.
Diese Anordnung der Gateelektroden ist für GTO SOÄ(gesteuerte
Gate-Abschalt-Sillziumgleichrichter) geeignet, deren
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Anodenstrom durch Anlegen eines Steuerpotentials an die Gate- . elektroden abgeschaltet werden kann. Hierbei deckt ein© krelsscheibenförmlge
Kathodenelektrode 7 radial angeordnete Gateelektroden 5 ab, und die radial angeordneten Teile 4 der Schicht
P1 und die darin enthaltenen Gateelektroden 5 sind von der Kathodenelektrode
7 durch Isolierschichten 8 isoliert. Die freiliegenden Teile 4 sind durch die Kathodenelektrode abgedeckt.
Wie in den vorher beschriebenen Ausführungen sind Schichten P1,
N2 und P2 ausgebildet. Nach Bildung der Gateelektroden 5 in den
vorgeschriebenen Bereichen der zweiten Schicht Pj, werden die
freiliegenden Teile der Schicht P1 und die darin ausgebildeten
Gateelektroden durch Isolierschichten 8 aus SiO, SiO2 oder
niedrig schmelzendem Glas abgedeckt. Darauf wird ein Metallfilm, beispielsweise aus einer Au-Sb-Leglferung auf die Schicht P1 legiert,
so daß sich gleichzeitig die Kathodenelektrode 7 und der Emitterbereich (Kathodenbereich) bilden. Wenn die Kathodenelektrode
7 und die gemeinsame ringförmige Gateelektrode 6, wie in Fig. 2B gezeigt, durch einen hochohmlgen Widerstand Rg von einigen
Hundert bis einigen kOhm verbunden sind, kann ein ausreichend hoher Kurzschlußemittereffekt festgestellt werden.
Bei der in Pig. 3 gezeigten Ausführungsform liegen die freiliegenden
Bereiche 4 der zweiten Schicht P1 und die auf diesen Bereichen
ausgebildeten Gateelektroden 5 parallel zueinander, die gemeinsame Gateelektrode 6 liegt auf einer Seite der Gateelektroden.
Dieser Thyristortyp wird als Seitengate-Thyristor bezeichnet. Die Querschnittsausbildung ist ähnlich der der ersten
Ausführungsform. Bei der vierten, in Flg. 4 gezeigten Ausführungsform, sind längs mehrerer konzentrischer Kreise mehrere
freiliegende Teile der Schicht P1 ausgebildet, eine entsprechende
Anzahl gebogener und in den Jeweiligen freiliegenden Bereichen enthaltene Gateelektroden 5 sind mit einer gemeinsamen Gateelektrode
6 verbunden, die in der Mitte der konzentrischen Kreiee
liegt. Diese Thyrlstorart wird als Mittelgate-Thyristor bezeichnet.
·
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Bei der fünften, in den Figuren 5Δ und 5B gezeigten Ausführungsform umfaßt das Halbleitersubstrat la drei Schichten N1, P1 und
N2. Eine erste Elektrode oder Kollektorelektrode 3a ist mit der
Unterseite der dritten Schicht N2 verbunden. Die erste Schicht
N1 bzw. der Emitterbereich ist nach einem bekannten Verfahren hergestellt,
und zwar so, daß freiliegende Bereiche der zweiten Schicht P1 bzw. der Basisschicht auf der Oberfläche der ersten
Schicht N1 in gewünschter Weise verteilt sind. Wie in Verbindung
mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, werden
Teile des Basisbereiches, an denen die Elektroden befestigt werden sollen, in p+-leitende Bereiche umgewandelt, auf denen Basiselektroden
5a ausgebildet werden. Die Oberflächen der freiliegenden Bereiche 4 und die darin enthaltenen Basiselektroden werden
durch Isolierschichten 8, beispielsweise au3 SiO2, abgedeckt.
Eine dritte bzw. Emitterelektrode 7a deckt die Elektrode 5a ab
und steht mit der ersten Schicht N1 in Ohm'schem Kontakt. Hie
in Fig. 5A gezeigt, sind die Basiselektroden 5a matrix- oder gitterförmig und elektrisch mit einer gemeinsamen Basiselektrode
6a verbunden. Dieses abgewandelte Element kann, mit Ausnahme der Emitter- und Basiselektroden, nach einem ähnlichen Verfahren hergestellt
werden, wie es bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Das Halbleiterelement dieser Ausführungsform ist in
einer Hülle abgedichtet und mittels Lot- oder Gleitkontakten
wie beispielsweise Federeinrichtungen oder dergl. mit Außenelek? troden verbunden.
Wie oben ausgeführt wurde, ist bei herkömmlichen Thyristoren bei vergrößerter Fläche der zweiten Schicht oder der P1-Schicht
bzw. des Steuerbereiches ein größerer Steuerstrom erforderlich. Erfindungsgemäß soIL auch die Geschwindigkeit di/dt erhöht werden.
Die erste Schicht ist erfindungsgemäß in einen Hauptbereich und
einen Hilfsbereich unterteilt, wobei die in Teilen der zweiten,
im Hauptbereich freiliegenden Schicht , vorgesehenen Gateelektroden mit dem Hilfsbereich verbunden sind. Auf der zweiten
Schicht ist eine Haupt-Gateelektrode ausgebildet, so daß der
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Hilfsbereich zwischen der Haupt-Gateelektrode und dem Hauptbereich
liegt. Hierdurch ergibt sich ein Thyristor mit verbessertem dl/dt bei geringem Steuerstrom.
Figuren 6k und 6B zeigen den Aufbau eines derartigen Thyristors.
Das Halbleitersubstrat 1 besteht wie bei der ersten Ausführungsform aus vier laminierten Schichten Np Pp N2 und P2. Wie in
Fig. 6a gezeigt ist, umfaßt die erste Schicht jedoch einen Hauptbereich N1 und einen Hilfsbereich N-*, die voneinander getrennt
sind. Die erste bis vierte Schicht sind in der gleichen Weise wie bei der ersten AusfUhrungsform ausgebildet. Wie ferner in
den Figuren 6k bis 6ö gezeigt ist, ist die gegenseitige Lage zwischen
den Gateelektroden 5, den Isolatoren 8, der Kathodenelektrode 7, dem Bereich Pp den Bereichen N1 und der gemeinsamen
Elektrode 6 im Hauptbereich die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
Auf dem freiliegenden Teil der zweiten Schicht P1
ist Jedoch, beispielsweise durch Ultraschallschweißen, angrenzend
an den Hilfsbereich N54 eine Haupt-Gateelektrode 10 ausgebildet.
Der Hilfsbereich N-* liegt zwischen dem Hauptbereich N1 und der
Hauptelektrode 10 (Figuren 6A und 6c). An den Hilfsbereich N-, sind jeweils Gateelektroden 5 elektrisch angeschlossen.
Im Betrieb wird der Thyristor dieser Ausführungsform in Durchlaßrichtung
vorgespannt. Mit anderen Worten, die Spannung wird so angelegt, daß die Anodenelektrode positiv und die Kathodenelektrode
negativ vorgespannt ist. Ferner wird eine Steuerspannungsquelle
so an die Haupt-Gateelektrode 10 und die Kathodenelektrode 7 angeschlossen, daß die Hauptelektrode 10 positiv vorgespannt
ist. Damit fließt dar Gatestrom durch die Haupt-Gateelektrode 10, den Bereich P1, den Bereich N3, die Gateelektroden 5, den p+-
leit&nden Bereich, den Bereich Pp den Bereich N1 und die Kathodenelektrode
7. Es werden also gleichseitig aus dem Hilfsbereich N-j in den Bereich P1 und in den Hauptbereich N1 Elektronen Injiziert.
Da jedoch die Sichte der aus dem Hilfsbereich N3 injlziertenElektronen
wesentlich größer ist als die der aus dem
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2Ü5U289
• 1 I ■·
Hauptbereich N1 injizierten, werden zuerst Bereiche der vier
Schichten N^, P1, N2 und P2 gezündet, die dem Hilfsbereich IT^
gegenüber liegen. Dieser Zündstrom fließt durch einen Strompfad
durch die Gateelektroden 5, den p+-leitenden Bereich, die Bereiche
P1, den Kathodenbereich N1 und die Kathodenelektrode 7,
so daß der gesamte Hauptbereich N1 (Kathodenbereich) gleichmäßig
und stark in Durchlaßrichtung vorgespannt wird und praktisch die gesamte Oberfläche der ersten Schicht (Kathodenbereich)
gleichmäßig gezündet wird. Aus diesem Grunde kann der Gatestrom verringert werden. Auch bei einem so geringen Gatestrom
kann die Anstiegsperiode des Anodenstroms (der Strom fließt durch die Elektroden 3 und 7) stark verringert werden, so daß
die Geschwindigkeit di/dt des Thyristors stark verbessert wird. Werden die Widerstände des Thyristors zwischen den Gateelektroden
5 und dem Haupt-Kathodenbereich(Schicht N1) gleich einigen
Ohm bis einigen Hundert Ohm gemacht, so kann die Geschwindigkeit di/dt auf das mögliche Maximum, beispielsweise 8OO A//US
bis 1 000 A//us gebracht werden.
Da bei diesem Aufbau die Gateelektroden 5 in einer Fläche unterhalb
der Kathodenel,ektrode 7 verteilt sind, ist der Emitter-Kurzschlußeffekt
ausreichend hoch, wenn der Kathodenbereich und die Gatebereiche durch einen Widerstand miteinander verbunden
sind, .dessen Wert einige Hundert bis einige kOhm beträgt.
Figuren 7A und 7B zeigen eine abgewandelte Ausführungsform des
in den Figuren 6k bis 60 gezeigten Thyristors. Bei dieser Ausführungsform
sind die Gateelektroden 5 in Axialrichtung ausgebildet und eine mit den äußeren Enden der Gateelektroden verbundene
gemeinsame ringförmige Gateelektrode 6 ist elektrisch mit einem ringförmigen Hilfsbereich N^ verbunden, und zwar über
eine ringförmige Anode 6b. Die in den freiliegenden Bereichen der Schicht P1 im Haüptbereich ausgebildeten Gateelektroden 5
sowie die freiliegenden Bereiche sind von der darüberliegenden
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Kathodenelektrode 7 elektrisch isoliert. Die Bereiche N1 und N5
sind durch Legierung oder Diffusion gebildet. Der Bereich N1
und die Kathodenelelctrode 7 werden gleichzeitig ausgebildet, indem
auf den vorgeschriebenen Bereichen der Schicht P1 die Gateelektroden
5 gebildet werden, auf den freiliegenden Bereichen der Schicht P1 und den darin enthaltenen Gateelektroden 5 Isolierfilme
aus SiO, SiÜ2 oder niedrig schmelzendem Glas aufgebracht
werden und darauf eine Schicht aus beispielsweise Au-Sb auf der vorherbestimmten Fläche der Schicht P1 auflegiert wird. Der Thyristor
dieser Ausführungsform bietet bei seiner Funktion die gleiohen Vorteile wie der der Ausführungsform der Figuren 6A bis 6c.
Fig. 8 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform des in
den Figuren 6A bis 60 gezeigten Thyristors. Hierbei handelt es sich um einen Seitengate-Thyristor, bei dem eine Haupt-Gateelekorode
10 und ein Hilfsbereich N-* an einem Bereich in der Nähe des
Umfanges des Substrats 1 ausgebildet sind. Die gegenseitige Anordnung der Gateelektroden 5 und der Kathodenelektrode 7 ist im
Querschnitt ähnlich der der Ausführungsform der Figuren 6A bis 6C, mit der Ausnahme, daß eine für jeweils parallel zueinander
liegende Gateelektroden 5 gemeinsame Gateelektrode 6 diese in ihrer Mitte im rechten Winkel schneidet.
Pig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Seitengate-Thyristors
der Fig. 8. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der der Fig. 8 dadurch, daß die Gateelektroden 5 die gemeinsame
Gateelektrode 6 nach Art symmetrischeijzweige eines Baums schneiden, und daß auf der Schicht P1 eine Haupt-Gateelektrode
10 mit geringer Fläche gebildet 1st.
Die Figuren 1OA und 1OB zeigen einen Mittelgate-Thyristor. Bei
dieser Ausführungsform besitzt der Hauptbereich N1 die JPorm eines
kreisförmigen Ringes, in der Mitte des Hauptberelches N1 ist
ein unabhängiger Hilfsbereich N-j ausgebildet. Auf dem Bereich P1
ist in der Mitte des Hilfsbereiches N eine Haupt-Gateelektrode
109817/U61
ίο ausgebildet. Wie bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform
sind die Gateelektroden 5 radial angeordnet und ihre gemeinsame
ringförmige Gateelektrode 6 liegt in der Mitte eines kreisscheibenförmigen
Substrats 1. Diese Ausführungsform zeichnet sich
dadurch aus, daß die Haupt-Elektrode 10 und die Kathodenelektrode
7 einfach durch einen Widerstand miteinander verbunden werden können, dessen Wert einige Hundert bis einige kOhra beträgt, so
daß sich der gewünschte Kurzschluß-Emittereffekt ergibt.
Figuren HA und 11B zeigen eine weitere Ausführungsform des in
den Figuren 6k bis 6C gezeigten Thyristors. Sie unterscheidet sich von der in den Figuren 6k bis 6o gezeigten dadurch, daß sie
zwei Sinheitliche Bereiche 7 und 7b enthält, und daß die freiliegenden
Bereiche 4 der Schicht P^ und die in diesen. Bereichen
enthaltene Gateelektrode 5 durch Luftspalte 8a von der Kathodenelektrode isoliert sind. Im einzelnen sind die Gal.e«3ßktroden 5
auf den freiliegenden Bereichen 4 der Schicht P1 und die Bereiche
7 der Kathode aus Au, Al orlcr dergleichen auf dem IL-bereich
ausgebildet. Die Höhe der Bereiche 7 ist größer als die der Gateelektroden 5. Eine kombinierte Temperaturausgleichsplatte
und Kathodenplatte 7b aus Wolfram oder Molybdän ist gleitend gegen die Kathodenelektrodenbereichs 7 gedrückt oder an diesen
angelötet. Bei diesem Aufbau sind die freiliegenden Bereiche 4
der Schicht P1 und die darin enthaltenen Gateelektroden 5 von
dem Kathodenaufbau durch Luftspalte 8a isoliert.
Während bei der in den Figuren 6k bis 6o gezeigten Ausführungsform eines Thyristors die erste Schicht in getrennte Haupt- und
Hilfsbereiche unterteilt war, um die Geschwindigkeit, di/dt bei
geringerem Steuerstrom zu verbessern, kann der gleiche Vorteil sowie ein ausreichend hoher Kuraschluß-Emittereffekt erzielt
werden, indem lediglich die erste Schicht in aneinander angrenzende Haupt- und Hilfßzonen unterteilt wird.
1098 1 7/ U61
Ein Beispiel eines solchen Thyristoraufbaues ist in den Figuren 12A und 12B gezeigt. Hierbei wird das Halbleitersubstrat 1 mit
der zweiten bis vierten Schicht P1, N2 und P2, den Gateelektroden
5 und der Kathodenelektrode 7 in der gleichen Weise hergestellt, wie die in den Figuren 6k bis 6o gezeigte AusfUrhungsform.
Wie in Fig. 12B gezeigt ist, bilden Teile der ersten Schicht N1,
links von einer strichpunktierten Linie 11 den Hauptbereich b
und Teile rechts von dieser Linie den Hilfsbereich a. Die Gateelektroden 5 sind auf den freiliegenden Teilen der Schicht P1
im Hauptbereich b ausgebildet, während eine den Gateelektroden 5 gemeinsame Elektrode 6 elektrisch an der Oberfläche der Schicht
N1 im Hilfsbereich a angeschlossen ist. Mit anderen Worten, die
Gateelektroden 5 besitzen die Form von Streifen auf einer gemeinsamen
Ebene (Fig* 12A). Die Stärke dar Schicht N1 ist in Bereichen
zwischen dem Haupt- und Hilfsbereich b bzw. a einschließlich der Stelle der strichpunktierten Linie dünner als
die des anderen Bereiches. Im Hauptbereich b sind die freiliegenden Bereiche P1 und die darin enthaltenen Gateelektroden 5 durch
Isolierschichten 8 abgedeckt, die Kathodenelejektrode 7 steht in Ohm'sehern Kontakt mit der Schicht N1 im Hauptbereich b und deckt
somit die freiliegenden Bereiche und die Gateelektroden Ab. Die
Haupt-Gateelektrode 10 ist an der Schicht P1 in einem Bereich
in der Nähe einer Seite der Schicht N1 befestigt. Eine zusätzlich
als Wärmeausgleichsplatte dienende Anodenelektrode 3 aus Wolfram oder Molybdän ist an die Unterseite der Schicht P0 Ie-
2 giert, und zwar über eine dünne Schicht aus Aluminium oder dergl.
In manchen Fällen ist es vorteilhaft, die Stärke der Schicht N1
zu verringern, so daß Bereiche derselben, die unter der Kathodenelektrode 7 liegen, einen geeigneten Widerstandswert besitzen,
beispielsweise zwischen einigen Ohm bis einigen kOhm.
109817/U61
- 35-
Im Betrieb wird an die Anodenelektrode 3 und die Kathodenelektrode
7 in Durchlaßrichtung eine Spannung angelegt, so daß die erstere positiv und die letztere negativ wird. An die Haupt-Gateelektrode
10 und die Kathodenelektrode 7 wird eine SteuerspannungBquelle
angelegt, durch die die Hauptgateelektrode 10 gegenüber der Kathodenelektrode 7 positiv vorgespannt wird. Somit
fließt von der Hauptgateelektrode 13 der Gatestrom durch die Bereiche P. und N1, die durch die strichpunktierte Linie 11 unterteilt
sind, zur Kathodenelektrode 7. Daher werden zunächst in die einander gegenüberliegenden Bereiche der vier Schichten
N1, P1, N2 und P2 des Hilfsbereiches a Träger injiziert,, so daß
diese Bereiche gezündet werden. Sin Teil des Zündstroms fließt direkt durch den in der Nähe der gezündeten Bereiche liegenden
Bereich der Schicht N1 in die Kathodenelektrodl^ der Rest des
Zündstromes fließt von den streifenförmißen Gateelektroden 5 zur
Kathodenelektrode 7» und zwar über den Bereich P1 und N1 oder
den Hauptbereich, so daß die gesamten, dem Hauptbereich b gegenüberliegenden Kathodenbereiche in Durchlaßrichtung vorgespannt
werden. Somit werden unittelbar nach Zündung der vier Schichtenbereiche
des Hilfsbereiches a die vier Schichtbereiche des Hauptbereiches
b gezündet. Wird der Widerstand der Schicht N1 zwischen
der gemeinsamen Gateelektrode 6 und der Kathodenelektrode 7 in geeigneter Weise gewählt, so kann die Zeitspanne bzw. die
Zeitverzögerung zwischen den Zündungen des Hilfsbereiches a und des Hauptbereiches b auf ein Minimum herabgedrückt werden. Hierdurch
wird die Anstiegszeit des Anodenstroms verringert und somit die Geschwindigkeit di/dt des Thyristors auch bei geringem Gatestrom
erhöht. Wird der Widerstand der Schicht N1 zwischen den
Gateelektroden 5 und der Kathodenelektrode 7 auf einen Wert zwischen einigen Ohm und exffi^ii/kOhm eingestellt, so können Thyristoren
mit höherer Geschwindigkeit di/dt zwischen 800 und 1 A//US hergestellt werden.
109817/U81
Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Schichten
Pj und N1 im Hauptbereich b durch den den Hilfsbereich a und
den Hauptbereich b überbrückenden Widerstand in der Schicht N1
kurzgeschlossen sind, so daß sich ohne Verwendung eines zusätzlichen Widerstandes ein ausreichend hoher Kurzschluß-Emittereffekt
ergibt.
Fig. 13 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Thyristors
der Figuren 12A und 12B. Diese Ausführungsform unterscheidet sich
von der der Figuren 12A und 12B dadurch, daß die Gateelektroden 5 in radialer Richtung angeordnet sind, wobei ihre äußeren Enden
mit der ringförmigen, gemeinsamen Gateelektrode 6 verbunden sind. Die unter der Kathodenelektrode 7 liegende Fläche dient
als Hauptbereich und die gegenseitige Lage zwischen den Gateelektroden
5 und der Kathodenelektrode 7 ist im Querschnitt die gleiche wie die der vorherigen Ausführungsform. Die in der Nähe der
Haupt-Gateelektrode 10 gezeigte Schicht N1 bildet den Hilfsbereich.
Fig. 14 zeigt eine weitere Abwandlung der in den Figuren 12A und 12B gezeigten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet
sich von der vorstehenden dadurch, daß die Gateelektroden 5 parallel zueinander und im rechten Winkel gegenüber der gemeinsamen
Gateelektrode 6 angeordnet sind, wobei die unter der Kathodenelektrode 7 liegende Fläche den Hauptbereich bildet und
der Hilfsbereich der Schicht N1 dicht angrenzend an die gemeinsame
Gateelektrode 6 liegt.
Fig. 15 zeigt eine weitere Abwandlung des in den Figuren 12A und 12B gezeigten Thyristors. Bei dieser Ausführungsform ist
die Höhe der Kathodenelektroden 7 im Hauptbereich links der
strichpunktierten Linie 11, die die erste Schicht unterteilt,
größer als die Höhe der Gateelektroden 5. Gegen die Kathodenelektrode 7 ist eine Temperaturausgleichsplatte 7b gleitend gedrückt
oder gelötet, so daß sich oberhalb der Gateelektroden 5
109817/U61
Luftspalte 8a bilden. Bei diesem Aufbau ist die Stärke der durch die strichpunktierte Linie 11 in den Haupt- und Hilfsbereich unterteilten
Schicht N1 gleichmäßig, so daß diese Ausführungsform
in der gleichen Weise arbeitet wie die der Figuren 12A und 12B.
Durch die Erfindung wird also ein Leistungstransistor und ein gesteuertes Gleichrichterelement geschaffen, bei denen Bereiche
der zweiten Schicht durch die erste Schicht hindurchgehen, so daß sie an deren Oberfläche freiliegen. Auf den freiliegenden
Bereichen sind zweite Elektroden ausgebildet und die freillegsnden Bereiche und die zweiten, darin enthaltenen Elektroden sind
isolierend durch eine dritte Elektrode abgedeckt. Aus diesem Grunde könne auch bei komplizierten Anordnungen die zweite und
dritte Elektrode gut und sauber angeordnet werden, so daß die bei bekannten gittergesteuerten Halbleitervorrichtungen bestehenden
Schwierigkeiten vermieden werden.
109817/1461
Claims (7)
- PATBNTANSPRUOHEΠ- Halbleitervorrichtung mit einem Substrat mit wenigstens drei Halbleiterschichten abwechselnd unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, die aufeinander geschichtet sind, wobei mit der ersten Schicht eine dritte Elektrode, mit der zweiten Schicht eine zweite Elektrode und mit der letzten Schicht eine erste Elektrode verbunden 1st, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht wenigstens einen Hauptbereich umfaßt, daß Bereiche der zweiten Schicht durch die erste Schicht hindurchgehen und auf der Oberfläche derselben freiliegen, daß die zweite Elektrode (5) in Ohm'schem Kontakt steht mit den freiliegenden Bereichen (4) der zweiten Schicht, daß die dritte Elektrode (7) über den freiliegenden Bereichen der zweiten Schicht und der daran angebrachten zweiten Elektrode liegt und von den freiliegenden Bereichen und der zweiten Elektrode isoliert ist, und daß die dritte Elektrode (7) mit der ersten Schicht im Hauptbereloh in Ohm'schein Kontakt steht.
- 2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht einen vom Hauptbereich getrennten Hilfsberelch (N^) umfaßt, daß die zweite Elektrode (5) im Hauptbereich elektrisch mit dem Hilfabereich verbunden ist, und daß eine vierte Elektrode (10) an einer durch den Hilfsbereich vom Hauptbereich getrennten Stelle mit dem freiliegenden Bereich der zweiten Schicht verbunden 1st.
- 3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht einen den Hauptbereich (b) berührenden Hilfsberelch (a) umfaßt, daß die zweite Elektrode im Hauptbereich elektrisch mit dem Hilfsbereioh verbunden ist, und daß die vierte Elektrode (10) mit dem freiliegenden Bereich der zweiten Schicht an einer Stelle verbunden ist, die durch den Hilfsbereich vom ^auptbereich getrennt ist.1G9817/U61'"'!'j1:''!" .'i: liifPjj!!!1!!!«!!111!!'!'1»'!!!1''!!1»! m^tf'T'" !'!!'!HJiiiPii::»»!«!! !''i "'K m ", ■' 7 ' ■ ■" ■! ψΡ- 19 - β
- 4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die freiliegenden Bereiche (4) der zweiten Schicht im Hauptbereich die Form zueinander paralleler Streifen besitzen, und daß die dritte Elektrode sämtliche Streifen überdeckt.
- 5· Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (3) eine Kollektorelektrode, die zweite Elektrode (5) eine Basiselektrode und die dritte Elektrode (7) eine Emitterelektrode bildet, so daß sich ein Transistor ergibt.
- 6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste bis vierte Halbleiterschicht abwechselnd von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp sind und aufeinander geschichtet sind, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Elektrode (3) eine Anodenelektrode, die zweite Elektrode (5) eine Gateelektrode, und die dritte Elektrode (7) eine Kathodenelektrode bildet, so daß sich ein gesteuertes Halbleiter-Gleichrichterelement mit Vierschichtaufbau ergibt.
- 7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht in der Nähe der Grenzlinie zwischen dem Hauptbereich und dem Hilfsbereich dUnner ist als die restlichen Bereiche der ersten Schicht.109817/U61IOL e e r s e i t e
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8235 | Patent refused |