DE2128304A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE2128304A1 DE19712128304 DE2128304A DE2128304A1 DE 2128304 A1 DE2128304 A1 DE 2128304A1 DE 19712128304 DE19712128304 DE 19712128304 DE 2128304 A DE2128304 A DE 2128304A DE 2128304 A1 DE2128304 A1 DE 2128304A1
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Description

  • Halbleiterbauelement Die Erfindung bezieht sich auf ein Haibleiterbaueledient und insbesondere aut einen JBictirektional- oder Komposit-Thyristor mit einer Mehr'#h1 von Funktionsbereichen, von denen zumindest einer zumindest drei pn-Übergänge aufweist.
  • Im allgemeinen umfaßt OlIL Bidirektional-Thyristor mit zwei parallel als Einheit gebildeten Thyristoren (Vierschicht-Trioden) von entgegengesetzter Richtung aufeinanderfolgende dünne Schichten alternierenden Leitfähig keitstyps, deren äußerste Schichten in die daran angrensenden Zwischenschichten eingebettet sind unter Freilassung bestimmter Oberflächenbereiche der Zwischenschichten.
  • Bei einem solchen Element werden die äußersten Schichten üblicherweise so in die angrenzenden Schichten eingebettet, daß sich ihre Projektionen normal zur Schichtungsrichtung nicht überlappen, dabei aber eine möglichst weite Flächenausdehnung für eine maximale Erhöhung des Stromflusses besitzen. Wenn sich nun jedoch die Projektionen der äußersten Schichten in Schichtungsrichtung einander nähern, beeinflus-sen sich die beiden parallelen aber umgekehrt gerichteten Thyristoren gegenseitig, und die gewünschten Charakteristiken sind daher schwierig zu erhalten.
  • Ziel der Erfindung ist daher ein Halbleiterbauelement, bei dem die Mängel der bekannten Vorrichtungen nicht auftreten. Ferner soll vorzugsweise ein schmalerer isolierender Abstand zwischen den Funktionsbereichen vorgesehen werden. Weiterhin sollen gemäß der Erfindung Inversionsstörungen vermieden werden.
  • Das demgemäß entwickelte erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Funk tionsbereichen, von denen zumindest einer zumindest drei pn-Ubergänge aufweist; eine isolierende Zone mit zumindest zwei pn-Übergängen zwischen den Funktionsbereichen; und die Lebensdauer der Minoritätsträger verkürzende tiefe Niveaus bildende (Schwermetall)-Atome zumindest innerhalb der 150 lierenden Zone Nachfolgend wird die Erfindung mehr im einzelnen an hand der angefügten Zeichnungen erläutert Es zeigen sche matischso Fig. 1a und ib Schnitte durch einen herkömmlichen Bidirektional-Thyristor mit zwei als Einheit gebildeten parallelen, aber umgekehrt gerichteten Thyristoren bzw, durch einen herkömmlichen Komposit-Thyristor mit einem Thyristor und einer parallel damit verbundenen, aber entgegengesetzt gerichteten Diode; Fig. 2a und 2b die Ladungsverteilung in einem herkömmlichen und einem erfindungsgemäßen Bauelement bei Betrieb; und Fig. 3a und b Schnitte durch einen Bidirektional-Xlnd einen Komposit-Thyristor gemäß der Erfindung .
  • Zunächst wird zum lesseren Verständnis ein herköi#mlicher Bidirektional-Thyristor anhand von Fig Ja beschrieben.
  • Ein solcher Bidirektional-Thyristor umfaßt einc erste Zwischenschicht 1 eines Leitfähigkeitstyps; zu beiden Seiten unter Bildung von pn-Üsrergängen angrenzende zweite und dritto Zwischenschichten 2 und 3 des anderen Leitungstyps; sowle eine erste und eine zweite in die zweite und dritte Zw ischenschicht 2 und 3 unter Bildung gemeinsames Oberflädion eingebettete aüßere Schichten 7 ,-, ., die mit er ~7~weiten bzw dritten Zwischenschicht c'11t 2 bv~3~pn-Übergange bilden. Diese äußeren Schichten sind derart vorgesehen, daß sie sich bei Projektion in SciIi"Jitungsrichtung nicht überlappen. Der Bidirektional-T11yristor unfaßt weiter eine erste und zweite Hauptelektrode 6 und 7, die mit den freiliegenden Oberflächen der zweiten Zwischenschicht 2 und der ersten äußeren Schicht 4 bzw. der dritten Zwischenschicht 3 und der zweiten äußeren Schicht 5 in Ohm'schem Kontakt sind. Ein Hilfsbereich 10 des einen Leitfähigkeitstyps ist in die zweite Zwischenschicht 2 eingebettet. Steuerelektroden 8 und 9 bilden mit den Oberflächen der zweiten Zwischenschicht 2 und des Hilfsbereichs 10 einen Ohm'-schen Kontakt von geringem Widerstand und sind außen elektrisch miteinander verbunden.
  • Zwischen der ersten und der zweiten Hauptelektrode wird so ein erster Thyristorteil A gebildet, der längs der Projektion der ersten äußeren Schicht 4 in Schichtungsrichtung gebildet ist, und ein zweiter Thyristorteil B wird durch Projektion der zweiten äußersten Schicht 5 definiert, wobei die beiden Thyristoren durch eine imaginäre (gestrichelt dargestellte) Linie bzwo Grenze 16 unterteilt werden und in umgekehrt paralleler Beziehung miteinander verbunden sind.
  • Bei diesem Bidirektional-Thyristor wird der erste Thy ristorteil A leitend, wenn an die zweite Hauptelektrode 7 eine gegenüber der ersten Hauptelektrode 6 positive Spannung angelegt und ein positiver Impuls bei der Steuerelekw trode 8 aufgeprägt wird. Ähnlich wird der zweite Thyristorteil E leitend, wenn bei der ersten Hauptelektrode 6 eine positive Spannung gegenüber der zweiten HaupteXektrode 7 angelegt und ein in bezug auf die an der ersten Hauptelektrode 6 angelegte Spannung negativer Impuls bei der Steuerelektrode 9 aufgeprägt wird Es wird nun der Fall betrachtet, daß der Bidirektional-Thyristor einer Zustandsänderung unterworfen wird, und zwar von einem Zustand, in dem der erste Thyristor leitend ist, zu einem Zustand, bei dem die erste Elektrode in bezug auf die zweite Hauptelektrode mit einer positiven Spannung versorgt wird: Solange der erste Thyristor A leitend ist, werden Minoritätsträger (Löcher und Elektronen) im Überschuß in der ersten-und zweiten Zwischenschicht 1 und 2 gespeichert.
  • Derartige Überschußladungen sind nicht allein auf den ersten Thyristorteil A beschränkt, sondern dehnen sich auch in dem zweiten Thyristorteil B in Nähe der Grenzschicht 16 aus, wie der Fig. 2a zu entnehmen ist. In den nichtleitenden Teil des Thyristorteils B nimmt jedoch angrenzend an die Grenzschicht die Ladungsdichte exponentiell ab.
  • Bei Umkehr der Polarität der zwischen erster und zweiter Hauptelektrode angelegten Spannung können die in der ersten und zweiten Zwischenschicht überschüssig gespeicherten Ladungsträger zu den Hauptelektroden durch die dritte Zwischenschicht 3 und die erste äußere Schicht 4 abgezogen werden oder sie verschwinden durch Rekombination Einige der Ladungsträger wirken jedoch in Richtung einer Vorspannung des Emitter-Übergangs zwischen der äußeren Schicht 5 und der dritten Zwischenschicht 3 in Durchlaßrichtung im zweiten Thyristorteil in Zusammenwirkung mit einem Anteil von Ladungsträgern, die im nichtleitenden Thyristorteil B in der Nähe der Grenzschicht 16 überschüssig vorhanden sind.
  • Der Tliyristorteil B kann dabei leitend werden, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung stark genug ist. D. h., im Falle, daß der Differentialquotient der angelegten Spannung oder des Stromes nach der Zeit groß ist, kann Leitung ohne Aufprägen eines Impulses auf die Steuerelektrode stattfinden, wodurch die DurchlaBspannungs-Sperrcharakteristik eines Thyristors beeinträchtigt wird.
  • Die obengenannten Mängel zeigen sich auch bei einem Komposit-Thyristor, bei dem ein Thyristor und eine Diode als Einheit in umgekehrt paralleler Relation gebildet sind.
  • Im allgemeinen umfaßt ein Chopperkreis für die Steuerung bzw, Kontrolle der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges, wie ein Repulsivtyp-Chopperkreìs, einen Thyristor und eine Diode, die parallel und umgekehrt gerichtet miteinander verbunden sind, wobei die Diode den Entladungsstrom eines Kondensators am DurchfluB durch einen Lastkreis nach Abschaltung des Thyristors hindert. Da eine Chopperschaltung Strom mit hoher Geschwindigkeit chopped bzw. unterbricht oder zerhackt, fließt in dem Kreis ein hochfrequenter Strom.
  • Bei Hochfrequenzanwendungen werden die Betriebscharakteristiken eines Kreises durch Induktionen aufgrund der Verdrahtung der Schaltelemente untereinander beelnträch tigt, In einem solchen Chopperkreis wird daher für die Einbringung von Kapazitäten und die Verkürzung von Verdrahtung bzw. Leitungen usw. gesorgt, so daß die Induktionswirkungen vermindert oder beseitigt werden. Durch Zusammenfassung eines Thyristors und einer Diode einheitlich in einem gemeinsamen Siliciumsubstrat kann die Verdrahtung der umgekehrt parallelen Verbindung entsprechend entfallen unter Ausschaltung der obengenannten Mängel und gleichzeitiger Verkleinerung des Chopperkreises.
  • Ein solcher Komposit-Tslyristor wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1b beschrieben, in der ein Thyristorteil 11 eine n-Typ-Emitterschicht NE, eine p-Typ-Basisschicht PB, eine n-Typ-Basisschicht NB und eine p-Typ-Emitterschicht PE umfaßt und eine Diode 12 die p-Typ- und n-Typschichten P13 und NB die in umgekehrt paralleler Verbindung mit dem Thyristor gebildet sind. Eine erste und eine zweite Hauptelektrode 13 und 14 bilden eine Ohm'schen Kontakt von geringem Widerstand mit den freiliegenden Oberflächen der Paare von NE und P3-Schichten bzw. PE und NB -Schechten,und eine Steuerelektrode 15 ist auf der Oberfläche der PB-Schicht im Thyristorteil 11 gebildet.
  • Bei einem solchen Komposit-Thyristor wird als Beispiel der Fall betrachtet, daß die zwischen den Elektroden 13 und 14 angelegte Spannung von einem Zustand, in dem die Diode 12 leitend ist, zu einem Zustand, in dem der Thyristorteil 11 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wechselt.
  • Bei dem p-Typ- und n-Typschichten PB und NB der Diode 12 und auch bei den PB- und NB-Schichten des Thyristorteils 11 in der Nähe der Grenzschicht zwischen Thyristorteil 11 und Diode 12 werden Elektronen und Löcher im Überschuß gespeichert, wenn die Diode leitend ist. Wenn die Spannung zwischen den Hauptelektroden umgepolt wird, werden die Überscliußladungsträger im Diodenbereich meist durch die Hauptelektroden abgezogen, aber ein Teil von ihnen wirkt zusammen mit den im Thyristorteil 11 in Nachbarschaft zur gestrichelten Linie 16a lokalisierten Ladungsträgern in Richtung auf eine Vorwärts-Vorspannung der Grenzschicht zwischen den PB- und NE -Schichten. Wenn also die zeitliche Ableitung der Spannung, dV/dt, groß und die Vorwärts-Vorspannung hoch ist, kann der Thyristor ohne Auftreten eines Spannungsimpulses an der Steuerelektrode 15 unter Aufgabe des Betriebs als Chopper-Schaltelement angeschaltet werden.
  • Nachfolgend werden nun Ausführungsformen gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 3a und 3b beschrieben, in denen ein Bidirektional- und ein Komposit-Thyristor gezeigt werden.
  • Der in Fig. 3a gezeigte Bidirektional-Thyristor umfaßt eine erste Zwischenschicht 21 von einem Leitfähigkeitstyp, eine zweite und eine dritte Zwischenschicht 22 und 23 des anderen Leitungstyps beidseits der ersten Zwischenschicht 21 und eine erste und eine zweite äußere Schicht 24 und 25, die in die zweite bzw. dritte Zwischenschicht unter Bildung einer gemeinsamen freiliegenden Oberfläche eingebettet und vom, ersten Leitfähigkeitstyp sind. Diese äußeren Schichten sind so angeordnet, daß ihre Projektionen auf eine Ebene normal zur Schichtungsrichtung voneinander durch einen bestimmten Abstand getrennt sind, der zumindest gleich der Diffusionslänge W der Träger ist.
  • Eine erste und eine zweite Hauptelektrode 26 und 27 sind mit den freiliegenden Oberflächen der zweiten Zwischen schicht- und ersten äußeren Schicht (22 und 24) bzw. der dritten Zwischenschicht und der zweiten äußeren Schicht (23 und 25) in Ohmsches Kontakt mit geringem Widerstand.
  • Ein Hilfsbereich 30 des einen Leitfähigkeitstyps ist in die zweite Zwischenschicht 22 eingebettet. Steuerelektroden 28 und 29 sind mit Ohmtschem Kontakt an den Oberflächen der zweiten- Zwischenschicht 22 und des Hilfsbereichs 30 vorgesehen und durch einen äußeren Leiter elektrisch miteinander verbunden.
  • Auf diese Weise wird ein Bidirektional-Thyristor gebildet, der zwischen der ersten und der zweiten Hauptelektrode einen ersten Thyristorteil 31 umfaßt, der durch die-Projektion der ersten äußeren Schicht 24 in Schichtungsrichtung definiert ist sowie einen zweiten Thyristorteil 32, der durch die Projektion der zweiten äußeren Schicht 25 in Schichtungsrichtung definiert ist und eine isolierende Zone 33 (mit zwei Übergängen) zwischen den beiden Thyristorteilen, wobei die beiden Thyristoren als Einheit in umgekehrt paralleler Relation miteinander verbunden sind.
  • In die isolierende Zone 33 sind zur Verkürzung der Diffusionslänge der Träger in dieser Zone unter diejenige in den Thyristorteilen tiefe Niveaus bildende Atome eingebaut, die als Rekombinationszentren für die Träger wirken, wie Gold, Kupfer, Indium Mangan, Nickel, Zink usw.
  • Bei einem -Bidirekti-onal-Thyristor mit einem solchen Aufbau werden - wenn ein Thyristorteil leitend. gehalten wird - in den Basis schichten überschüssig gespeicherte Träger meist einer Rekombination in der isolierenden Zone 33 unterworfen und verschwinden, wie der Fig. 2b zu entnehmen ist, da die isolierende Zone eine Breite hat, die zumindest gleich der Diffusionslänge der Träger ist, die somit keinen Einfluß auf den anderen Thyristorteil haben können. Auf diese Weise wird die herkömmliche Schwierigkeit vermieden, daß der andere Thyristor in einen leitenden Zustand versetzt werden kann, bevor ein Spannungsimpuls an die Steuerelektrode angelegt ist.
  • Weiter kann die Breite der isolierenden Zone 33 unter die Diffusionslänge im Thyristorteil herabgesetzt werden, wenn in die isolierende Zone Atome eingebaut werden, die ein tiefes Niveau bilden. Wenn man beispielsweise Goldatome in einer Konzentration von 1013 bis 1015 Atomen pro cm3 eindiffundiert, so wird die Diffusionslänge auf unter 1/10 derjenigen ohne eindiffundiertes Gold herabgesetzt, was eine Verminderung der Breite der isolierenden Zone auf etwa 1/10 derjenigen ohne eindiffundiertes Gold ermöglicht.
  • Weiterhin existieren einige Fälle, bei denen entsprechend der Anwendung und Art der Elemente keine scharfen Anforderungen an Einschaltcharakteristiken, Durchlaßspannungsabfall usw. gestellt werden. In solchen Fällen können tiefe Niveaus bildende Atome nicht nur in die isolierende Zone 33, sondern auch in die beiden Thyristorteile 31 und 32 eingebracht werden. Auch diese Ausführung fällt in den Rahmen der Erfindung.
  • Nachfolgend wird ein Komposit-Thyristor gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 3b beschrieben, in der ein Thyristorteil 41 eine n-Typ-Emitter-, eine p-Typ-Basis-, eine n-Typ-Basis- und eine p-Typ-Emitter-Schicht NE, PB, NB und PE umfaßt und ein Diodenteil 42 die PB- B-und NB-Schichten, die den Basisschichten des Thyristorteils 41 entsprechen, wobei die Diode einheitlich mit dem Thyristor in umgekehrt paralleler Relation gebildet ist und zwischen dem Thyristorteil und dem Diodenteil (41 und 42) eine isolierende Zone 43 mit zwei Übergängen durch Ausdehnung der NE- oder PE-Schichten vom Thyristorteil über eine vorbestimmte Länge zum Diodenteil 42 hin vorgesehen ist, wobei die Länge zumindest gleich der Diffusionslänge W der Träger ist.
  • Weiter sind tiefe Niveaus bildende Atome, die als Rekombinationszentren wirken, wie Gold, Kupfer, Mangan, Nikkel, Zink usw. in die isolierende Zone 43 zur Herabsetzung der Diffusionslänge der Träger in dieser Zone eingebaut.
  • Eine erste und eine zweite Hauptelektrode 44 und 45 bilden einen Ohmschen Kontakt mit der freiliegenden Oberfläche der NE- und PB-Schichten bzw. der PE- und NB-Schichten, und eine Steuerelektrode 46 ist auf der Oberfläche der PB-Schicht des Thyristorteils 41 vorgesehen.
  • Für einen Komposit-Thyristor einer solchen Struktur wird nachfolgend als Beispiel der Fall beschrieben, daß die zwischen den Hauptelektroden angelegte Spannung von einem Zustand, in dem der Diodenteil 42 leitend gehalten wird, zu einem Zustand wechselt, in dem der Thyristorteil 41 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Wenn die Diode leitend gehalten wird, werden Elektronen und Löcher im Diodenteil 42 und in der isolterenden Zone 43 in Nachbarschaft zur Grenzfläche zwischen Diode und isolierender Zone im Überschuß gespeichert. Wenn die zwischen den Hauptelektroden angelegte Spannung umgepolt wird, gelangen die zunächst (wenn die Diode leitend gehalten wird) in der Nähe der Grenzschicht von Diode und isolierender Zone überschüssig vorhandenen Ladungsträger zu den Hauptelektroden; da aber die isolierende Zone 43 eine Breite hat, die zumindest gleich der Diffusionslänge der Elektronen und Löcher in diesem Bereich ist, unterliegen die überschüssigen Ladungsträger in dieser isolierenden Zone meist der Rekombination und verschwinden und haben keinen Einfluß auf den Thyristorteil. Es besteht also keine Gefahr, daß der Thyristorteil durch Träger vom Diodenteil angeschaltet wird, bevor ein Spannungsimpuls auf die Steuerelektrode aufgebracht wird.
  • Wenn ferner tiefe Niveaus bildende Atome in die isolierende Zone 43 eingebracht werden, kann die Breite der isolierenden Zone 43 unter Erzeugung eines kompakten Kompo sit-Thyristors geringer gemacht werden.
  • Die Fähigkeit zur Herstellung kompakter Bauteile ist besonders interessant für die Fertigung von Halbleiterbauelementen geringer Kapazität für die Verwendung in elektrischen Haushaltsgeräten, für die Nachrichtentechnik, für Überwachungs- und Kontrolleinrichtungen usw. Weiter kann der Ausnutzungsfaktor einer Halbleiterscheibe durch das Ausmaß erhöht werden, in dem die Breite der isolierenden Zone vermindert werden kann. Dieser Effekt ist selbstverständlich augenfälliger bei Bauelementen von geringer Flächenausdehnung und Kapazität.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung bedeutet die Bezeichnung 11Funktionsbereich!' eine Zone bzw. einen Bereich L.,'#t einer Gleichrichtfunktion-, wie einen Thyristor oder einen Diodenbereich.
  • Nachfolgend wird eine konkrete Ausführung des- obengenannten Komposit-Thyristors beschrieben: Ausgehend von bzw. innerhalb einer Siliciumscheibe wurde ein Komposit-Thyristor mit einem Thyristorteil 41 mit einer Flache von 1,16 cm2, einem Diodenteil 42 mit einer Fläche von 0,04 cm­ und einer isolierenden Zone 43 einer Trennbreite von 0,17 mm erzeugt. Nach Aufdampfen ~von Gold auf die Oberfläche der isolierenden Zone 43 wurde der Gesamtkörper zum Eindiffundieren des Goldes in die isolierende Zone 0,5 Stunden lang in einem Heizofen auf eine Temperatur von 870 °C aufgeheizt.
  • Eine Sinuswellen-Spannung von 130 /uS Dauer wurde am Diodenteil 42 angelegt. Der Durchlaß-Peakstrom der Diode betrug dabei 1850 A. Das Ergebnis zeigt, daß der maximale Differentialquotient der Spannung nach der Zeit, dV/dt, keinem Inversionsfehler unterlag und 135 V/ms betrug bei einem Differentialquotienten des Stroms nach der Zeit, di/dt, von 74 A/ms.

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    02 Halbleiterbauelement, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Mehrzahl von Funktionsbereichen, von denen zumindest einer zumindest drei pn-Übergänge aufweist; eine isolierende Zone mit zumindest zwei pn-Übergängen zwischen den Funktionsbereichen und die Lebensdauer der Minoritätsträger verkürzende tiefe Niveaus bildende Atome, zumindest innerhalb der isolierenden Zone.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: a) ein Halbleitersubstrat mit dünnen aneinandergrenzenden Schichten alternierenden Leitfähigkeitstyps zwischeneinem Paar, Hauptoberflichenw von denen jede aus den Oberflächen einer Endschicht und einer daran angrenzenden Zwischenschicht zusammengesetzt ist, wobei die beiden Endschichten derart angeordnet sind, daß sie sich bei Projektion in Schichtungsrichtung nicht überlappen und das Halbleitersubstrat eine erste und eine zweite Vierschichtzone umfaßt, die durch die beiden Endschichten definiert werden, und eine dritte zwischen dieser ersten und zweiten Zone lokalisierte Zone; b) ein Paar Hauptelektroden, die Ohmsche Kontakte mit den Endschichten und den angrenzenden Zwischenschichten auf den Hauptoberflächen bilden; und c) tiefe Niveaus bildende Atome, die zumindest in die dritte Zone eingebaut sind.
  3. 3. Halbleiterbauelement rach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: a) ein Halbleitersubstrat mit einem Paar von Hauptflächen, das aneinandergrenzend eine Vierschicht-Zone alternierenden Leitfähigkeitstyps, eine Zweischicht-Zone mit einem mit dem zentralen pn-Übergang der Vierschichtzone gemeinsamen bzw. zusammenhängenden pn-Übergang und eine zwischen beiden Zonen angeordnete isolierende Zone einschließt bzw. umfaßt; b) ein Paar Hauptelektroden, die Ohmsche Kontakte mit den Endschichten und den damit zusammenhängenden Zwischenschichten auf dem Paar von Hauptflächen des Halbleitersubstrats bilden; c) tiefe Niveaus bildende Atome, die zumindest in die isolierende Zone eingebaut sind.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1#, 2 oder 3, dadurch gekennzei hnet, daß die tiefe Niveaus bildenden Atome durch zumindest ein Metall aus der Gruppe Gold, Kupfer, Indium, Mangan, Nickel, Zink gebildet werden.
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