DE2108111A1 - Thyristor mit Kurzschlußring - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, 19.FEB. 1971 Berlin und München Wittelsbacherplatz 2

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Thyristor mit Kurzschlußring

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem mindestens vier Zonen abwechselnden Le'itfähigkeitstyps und mindestens drei pn-Übergänge aufweisendem scheibenförmigem Halbleiterkörper, bei dem ein einen Kurzschlußring bildender Bereich der zweiten Zone die erste Zone umgibt, und mit einem leitenden Überzug, der die erste-Zone mit dem Kurzschlußring elektrisch verbindet.

Ein solches Bauelement ist z.B. in der DAS 1 133 038 enthalten. Dort ist ein Thyristor beschrieben, dessen Emitterzone von einer Basiszone umgeben ist» Die Oberfläche der Emitterzone und der Basiszone sind durch einen ■leitenden Überzug miteinander verbunden. Der die Emitterzone umgebende Teil der Basiszone kann als Kurzschlußring bezeichnet werden. Durch diesen Kurzschlußring fließt bei kleinen Stromdichten, d.h. geringem Spannungsabfall unter der Emitterzone, ein Teil "der Ladungsträger nicht in die Emitterzone, sondern umgeht diese und fließt durch den Kurzschlußring zum leitenden Überzug und von dort über die Emitterelektrode zur Emitterzuleitung ab. Der über den leitenden Überzug abfließende Teil der Ladungsträger bewirkt daher keine Injektion von Ladungs-

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trägem aus der Emitterzone in die angrenzende Basiszone. Damit wird der Emitterwirkungsgrad herabgesetzt, so daß ein Zünden des Thyristors erst bei höheren Strömen möglich ist. Dadurch wird z.B. die Temperatur-Stabilität der Blockierkennline erhöht. Ein Kurzschlußring wirkt sich auch günstig auf das dU/dt-Verhalten des Thyristors aus. Dies läßt sich damit erklären, daß bei einem sehr schnellen Spannungsanstieg am Thyristor aufgrund der Kapazität des sperrenden pn-Übergangs ein hoher Yerschiebungsstrom auftritt, der wie ein Steuerstrom wirkt. Dadurch würden aus dem Emitter Tiele ladungsträger in die angrenzende Basisschicht injiziert, wenn nicht ein bestimmter Teil der den Yerschiebungsstrom bildenden Ladungsträger unter Umgehung der Emitterzone direkt zum leitenden Überzug fließen würde.

Eine gute Ausnutzung des Querschnittes des Halbleiterkörpers würde dann erreicht, wenn sich der leitende Überzug (Elektrode) bis zur Randzone des 'Halbleiterkörpers erstreckt. Dies ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da die Randzone des Halbleiterkörpers z.B. durch Schrägläppen und/oder Ätzen behandelt wird und der leitende Überzug (Elektrode) dabei angegriffen würde. Mac kann ■daher den leitenden Überzug nur bis zur Randzone führen. Da die Emitterzone eine kleinere IMche als die Elektrode einnimmt, wird bei den bekannten Halbleiterbauelementen mit Kurzschlußring die Fläche nicht optimal ausgenutzt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die wirksame Emitterfläche bis zur Randζone vergrößert werden kann.

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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring in der Randzone liegt, daß die erste Zone bis an den Rand des leitenden Überzuges reicht und daß die erste Zone zum Kurzschlußring hin offene Ausnehmungen aufweist, durch die die zweite Zone hindurchgreift und bis zum leitenden Überzug reicht.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit dem Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper Jj

eines bekannten Halbleiterbauelementes mit Kurzschlußring,

Figur 2 die Aufsicht auf den Halbleiterkörper nach Figur 1,

Figur 3 den Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung und

Figur 4 die Aufsicht auf den Halbleiterkörper nach Figur 3.

Der Halbleiterkörper insgesamt ist in Figur 1 mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Er besteht aus vier Zonen, nämlich der Emitterzone 2, der Basiszone 3» der Basis- % zone 4 und der Emitterzone 5· Die Emitterzone 2 wird von einem Kurzschlußring 9 umgeben, der einen Teil der Basiszone 3 bildet. Der Kurzschlußring 9 wiederum kann von einer Teilzone 6 umgeben sein, die die gleiche Dotierung wie die Emitterzone 2 aufweist. Die Emitterzone 2 und der Kurzschlußring 9 ist von einem die Elektrode bildenden leitenden Überzug 7 bedeckt. Dieser, leitende Überzug bedeckt die Teilzone 6 nicht, da diese Zone und

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die Ränder Zonen 3, 4 und 5 zur Außenzone des Halbleiterkörpers gehören, die mit 10 bezeichnet ist. Die Außenzone 10 kann, wie eingangs erwähnt, nicht für die Elektrode ausgenutzt werden. Daher kann die Elektrode 7 lediglich bis an den Randbereich 10 herangeführt werden.

In Figur 3 ist der Querschnitt durch einen Halbleiterkörper für ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung gezeigt. Hierbei sind gleiche Teile wie in Figur 1 auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Basiszone 3 weist einen Kurzschlußring 19 auf, der gegenüber dem Kurzschlußring 9 nach Figur 1 weiter an den Rand des Halbleiterkörpers gerückt ist und in der Randzone 10 liegt. Die Emitterzone ist bis unter den Rand des leitenden Überzuges 7 geführt und trägt die Bezugsziffer 12. Wie der Kurzschlußring 19 mit dem leitenden Überzug 7 verbunden ist, ist in Figur 4 gezeigt.

Figur 4 zeigt eine Aufsicht auf den Halbleiterkörper nach Figur 3. Der leitende Überzug 7 ist hier der Erläuterung wegen teilweise entfern*, so daß ein großer (Teil der Emitterzone 12 sichtbar ist. Der Rand der . Emitterzone 12 weist eine Anzahl von Ausnehmungen auf, durch die die Zone 3 bis zum leitenden Überzug hindurchgreift. Man könnte auch sagen, daß der Kurzschlußring 19 Nasen aufweist, die bis unter den leitenden Überzug 7 greifen. Durch die Ausnehmungen 13 bzw. die Nasen ist der Kurzschlußring 19 mit dem leitenden Überzug elektrisch verbunden. Ein Teil der aus der Basiszone kommenden Ladungsträger bewegt sich daher, vorausgesetzt, der Spannungsabfall unter der Emitterzone 12 ist klein genug, in Richtung auf den Kurzschlußring 19 zu und gelangt über eine der Ausnehmungen zum leiten-

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den Überzug 7, d.h. zur Emitterelektrode, von wo der Ladungsträger abfließen kann. Hierbei muß der Ladungsträger gegebenenfalls im Kurzschlußring ein Stück in Tangentialrichtung bis zur nächsten Ausnehmung zurücklegen. Der Kurzschlußring stellt dabei einen gewissen Widerstand dar. Bei den für Leistungshalbleitern allgemein üblichen Dotierungsprofilen beträgt der Widerstand zwischen zwei Ausnehmungen im Abstand von 2mm etwa 20 bis 80 XL . Selbst bei sehr hohen dU/dt-Belastungen (1000 v//us) treten innerhalb des Kurzschlußrings jedoch nur Spannungsabfälle von maximal 0,1 bis 0,4 "V" auf, weil einerseits der Einflußbereich des Kurzschlußrings wegen der relativ geringen Querleitfähigkeit unter dem η-Emitter auf einen Teil der Thyristorfläche begrenzt ist und weil andererseits der in diesem Teilbereich fließende kapazitive Strom auf mehrere Ausnehmungen des Kurzschlußringes verteilt wird. Erst bei Spannungsabfällen von mehr als 0,7 V würde der Kurzschluß seine Wirkung verlieren.

Der neuartige Kurzschlußring erfüllt daher bei niedrigen Stromdichten, wie sie z.B. bei dU/dt-Belastungen auftreten, seine Aufgabe genau so gut wie der konventionelle Kurzschlußring. Vor allem wird ein Zünden am Sandbereich des Thyristors verhindert, der bekanntlich eine schwache Stelle bei jedem Halbleiterbauelement darstellt.

Bei höheren Zündströmen, also bei beabsichtigter Zündung über die Basiselektrode 8 wird die Stromdichte unter dem n-Emitter 12 höher. Dadurch wächst der Spannungsabfall unter dieser Zone so stark an, daß die Ladungsträger von der Basiszone 3 zur Emitterzone 12 fließen und dort eine Injektion von Ladungseträgern entgegengesetzter Polarität in die Basiszone 5 verursachen. In diesem Fall ist

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«der Kurzsehlußring unwirksam, d.h. die volle n-Emitterflache steht für den Laststrom zur Verfügung. Dies gilt ebenso für den stationären Zustand, bei dem der Thyristor den vollen Strom führt.

Bei Halbleiterkörpern mit großen Durchmesser können zusätzlich zu den Ausnehmungen 13 in der Baäszone 12 weitere Ausnehmungen 14 vorhanden sein, die das dU/dt-Verhalten des Thyristors weiter verbessern können. Die Anordnung solcher weiterer Ausnehmungen ist jedoch schon länger bekannt. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Verteilung der weiteren Ausnehmungen 14 in der Nähe des Sandes am Umfang der Basiszone 12 nicht die gleiche Wirkung hat wie die zum Kurzschlußring 19 hin offenen Ausnehmungen 13. Wie in der Figur 4 durch die Bezugsziffern 15 und 16 angedeutet, haben die weiteren Ausnehmungen 14 und die zum Kurzschlußring 19 hin offenen Ausnehmungen 13 unterschiedlich geformte "Einzugsbereiche", innerhalb deren ein Ladungsträger 'in der Zone 3 noch zum leitfähigen Überzug 7 fließen kann. Die Größe der Einzugsbereiche ist dabei von dem Widerstand abhängig, den der Ladungsträger auf seiner Bahn vorfindet. Mit steigender Stromdichte wird dieser Einzugsbereich kleiner. Es ist ersichtlich, daß der Einzugsbereich 16 der Ausnehmungen 13 in jedem Fall größer ist als der Einzugsbereich 15 der weiteren Ausnehmungen 16. Es kommt vor allem zu einer vollständigen Überdeckung der Einzugsbereiche.

Die Erfindung ist insbesondere bei Thyristoren brauchbar, deren Zonen durch Diffusion hergestellt sind. Eine Siliciumscheite von z.B. 30 mm Durchmesser und einer Dicke von z.B. 300/u und einer Grunddotierung von etwa 10 ^cm"⁰ wird ca. 36 Stunden einer Al/Ga- oder einer Al/B-Diffusion ausgesetzt. Dann haben die äußeren Zonen

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des Halbleiterkörpers eine Dotierung von über 10 cm" . Auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers wird dann eine etwa 1/u starke Schicht aus SiO_? erzeugt, die mit lichtempfindlichem Lack bedeckt wird. Dieser Lack wird dann über eine Maske belichtet. Anschließend wird der Lack an den unbelichteten Stellen aufgelöst und das SiOp an diesen Stellen weggeätzt. Dann wird auf der Oberfläche Phosphorglas gebildet, worauf der Halbleiterkörper etwa 7 Stunden lang einer Temperatur von über 1200⁰C ausgesetzt wird. Die η-Zone hat dann eine Dicke von etwa

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15/U und ist etwa mit 10 cm dotiert. Als brauchbar haben sich etwa 30 bis 50 halbkreisförmige Ausnehmungen mit einem Radiusmn etwa 0,1 bis 0,5 mm erwiesen, die etwa gleichmäßig um den Umfang der η-Zone herum verteilt sind. Der Kurzschlußring kann etwa 0,5 bis 2 mm breit sein, die Randzone 10 etwa 2 bis 5 mm. Zum Schluß wird die Emitterzone 12 mit einer leitenden Schicht, z.B. aus 5 bis 5OyU starkem aufgedampften Aluminium versehen.

5 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims (5)

Patentansprüche

1.)) Halbleiterbauelement mit einem mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps und mindestens drei pn-Übergänge aufweisendem scheibenförmigem Halbleiterkörper, bei dem ein einen Kurzschlußring bildender Bereich der zweiten Zone die erste Zone umgibt, und mit einem leitenden Überzug, der die erste Zone mit dem KurzsehluSring elektrisch verbindet, dadurch gekennze ichne t., daß der Kurzschlußring in der Randzone (10) liegt _t die erste Zone

(12) zum Kurzschlußring (19) hin offene Ausnehmungen (13) aufweist, durch die die zweite Zone (3) hindurchgreift und bis zum leitenden Überzug (7) reicht,

2.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausnehmungen

(13) gleichmäßig über den Umfang der ersten Zone (12) verteilt sind.

3.halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, d a durch gekennzeichnet, daß die erste Zone (12) weitere Ausnehmungen (14) aufweist, durch die die zweite Zone (3). zum leitenden Überzug (7) reicht.

4.) Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen des Halbleiterkörpers durch Diffusion hergestellt sind.

5.) Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (13) durch Photoresisttechnik hergestellt sind.

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