DE2128304C3

DE2128304C3 - Elektrisch schaltbares Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2128304C3
Application number: DE19712128304
Authority: DE
Inventors: Takuzo Ogawa; Tomoyuki Tanaka; Tsutomu Yatsuo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-06-08
Filing date: 1971-06-07
Publication date: 1979-08-09
Also published as: DE2128304B2; DE2128304A1; JPS5019437B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch schaltbares Halbleiterbauelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art.

Ein solches Halbleiterbauelement ist beispielsweise aus der DE-ASU 54 872 (F ig. 18) bekannt.

Ein ähnliches Halbleiterbauelement, bei dem der Zweischichtbereich etwa die eine Hälfte und der Vierschichtbereich die andere Hälfte des Halbleiterkör

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65 pers einnehmen, ist in F i g. 1 veranschaulicht Danach sind also ein Thyristor und eine Diode parallel zueinander, aber mit entgegengesetzter Funktionsrichtung integriert Ein Thyristortei! U umfaßt dabei eine n-Emitterschicht Nb eine p-Basisschicht Pb, eine n-Basisschicht Nb und eine p-Emitterschicht Pe, und eine Diode \2 besteht aus den p- und η-Schichten Pb und We. die in umgekehrt paralleler Verbindung mit dem Thyristorteil gebildet sind. Eine erste und eine zweite Hauptelektrode 13 und 14 bilden einen Ohmschen Kontakt von geringem Widerstand mit den frei liegenden Oberflächen der Paare von Ne- und Pfl-Schichten bzw. Pf- und Λ/β-Schichten, und eine Steuerelektrode 15 ist auf der Oberfläche der Pß-Schicht im Thyristorteil 11 gebildet.

Bei einem solchen Bauelement wird als Beispiel der Fall betrachtet, daß die zwischen den Elektroden 13 und 14 angelegte Spannung von einem Zustand, in dem die Diode \2 leitend ist, zu einem Zustand, in dem der Thyristorteil J_l in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wechselt. Bei den p- und η-Schichten P_B und N_B der Diode 12 und auch bei den Pe- und Λ/β-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 Überschußladungstrigef im Diodenbereich meist durch die Hauptelektroden abgezogen, aber ein Teil von ihnen wirkt zusammen mit den im Thyristorteil 1_1 in Nachbarschaft zur gestrichelten Linie 16a lokalisierten Ladungsträgern in Richtung auf eine Vorwärts-Vorspannung der Grenzschicht zwischen den Pb- und Λ/pSchichten. Wenn also die Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung, dV/d/, groß und die Stromdichte hoch ist, wird der Grad besagter Vorwärts-Vorspannung hoch, und der Thyristorteil wird auch ohne Auftreten eines Spannungsimpulses an der Steuerelektrode 15 unter Aufgabe des Betriebs als Chopper-Schaltelement angeschaltet.

Andererseits ist aus der DE-OS 19 43 537 eine Wechselstrom-Halbleiterschaltvorrichtung mit zwei nebeneinander in einem Halbleiterkörper angeordneten, umgekehrt gerichteten Thyristorbereichen bekannt, die in einem Dreischichtbereich zwischen den beiden seitlich getrennten Thyristorbereichen eine Dotierung von tiefe Niveaus bildenden Goldatomen aufweist, um eine unerwünschte Beeinflussung der Thyristorbereiche zu vermeiden.

Schließlich ist aus der DE-OS 19 31 149 eine Triac-Halbleiteranordnung bekannt, bei der die Kathodenbereiche der beiden Thyristorbereiche seitlich so versetzt sind, daß der dabei gebildete, keine besondere Dotierung aufweisende Dreischichtbereich eine Breite von wenigstens drei Diffusionslängen für Minoritätsladungsträger aufweist, wodurch ebenfalls die unerwünschten gegenseitigen Einflüsse der Thyristorbereiche vermieden werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch schaltbares Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art so abzuändern, daß der Thyristorteil nur durch einen Spannungsimpuls an der Steuerelektrode, nicht aber durch Einwirkung der Überschußladungsträger aus dem üiodenbereich angeschaltet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweite äußere Schicht einen Verlängerungsteil aufweist, der sich seitlich ohne Überlappung mit der

ersten äußeren Schicht zwischen dem Vierschichtbereich und dem Zweischichtbereich erstreckt und einen Dreischichtbereich in Schichtungsrichtung definiert, und daß eine Dotierung mit tiefe Niveaus bildenden Atomen zumindest im Dreischichtbereich vorgenommen ist

Diese Dotierung besteht vorzugsweise aus Atomen zumindest eines Metalls der Gruppe Gold, Kupfer. Indium, Mangan, Nickel, Zink.

Durch die Schaffung des Dreischichtbereichs und dessen Dotierung mit tiefe Niveaus bildenden Atomen wird ein unerwünschtes Anschalten des Thyristorbereichs bei relativ geringer Breite der durch den Dreischichtbereich gebildeten isolierenden Zone verhindert

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der F i g. 2 näher erläutert.

Fig.2 zeigt einen Schnitt durch ein elektrisch schaltbares Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung. Darin umfaßt ein Thyristorteil 4_1 eine η-Emitter-, eine p-Basis-, eine η-Basis- und eine p-Emitter-Schicht Ne, Pb, Nb und Pe, und ein Diodenteil 42 umfaßt die Pb- und Λ/β-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 (4_1 und 42) eine isolierende Zone 43 mit zwei Übergängen durch Ausdehnung der Pe-Schicht vom Thyristorteil über eine vorbestimmte Länge zum Diodenteil 42 hin vorgesehen ist, wobei die Länge zumindest gleich der Diffusionslänge IVder Träger ist.

Weiter sind tiefe Niveaus bildende Atome, die ais Rekombinationszentren wirken, wie Gold, Kupfer, Indium, Mangan, Nickel, Zink 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 frei liegenden Oberfläche der Ne- und P/r Schichten bzw der Pe- und Λ/β-Schichten, und eine Steuerelektrode 46 ist auf der Oberfläche der Pß-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 4_[ in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist Wenn der Diodenteil leitend wird, werden überschüssige Elektronen und Löcher im Diodenteil 42 und in der isolierenden Zone 43 auf der Seite des Diodenteils 42 gespeichert. Wenn die zwischen den Hauptelektroden angelegte Spannung umgepolt wird, werden die meisten der im Diodenteil 42 und der isolierenden Zone 43 vorhanden gewesenen überschüssigen Ladungsträger zu beiden Elektroden abgeführt der Rest bewegt sich jedoch durch Diffusion in willkürlicher Richtung und wird ilurch Rekombination beseitigt. Einige dieser durch Diffusion abwandernden und verschwindenden Ladungsträger bewegen sich in Richtung des Thyristorteils; da jedoch die Breite der isolierenden Zone zumindest gleich der Diffusionslänge der Elektronen

ίο und Löcher ist unterliegen die meisten der überschüssigen Ladungsträger in dieser isolierenden Zone der Rekombination, verschwinden daher und haben keinen Einfluß auf den Thyristorteil. Es besieht also keine Gefahr, daß der Thyristorteil durch Träger vom Diodenteil angeschaltet wird, bevor ein Spannungsimpulsauf die Steuerelektrode aufgebracht wird.

Da ferner tiefe Niveaus bildende Atome in die isolierende Zone 43 eingebracht werden, kann die Breite der isolierenden Zone 43 unter Erzeugung eines

ίο kompakten Komposit-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 Flächenausdehnungund Kapazität.

Nachfolgend wird eine konkrete Ausführung des obengenannten Komposit-Thyristors beschrieben:

Ausgehend von bzw. innerhalb einer Siliziumscheibe, wurde ein Komposit-Thyristor mit einem Thyristorteil 4_1 mit einer Fläche von 1,16 cm², einem Diodentei! 42 mit einer Fläche von 0,04 cm² und einer isolierenden Zone 43 einer Trennbreite von 0,17 mm erzeugt. Nach Aufdampfen von Gold adf 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 87O°C aufgeheizt.

Eine Sinuswellen-Spannung von 130 μβ Dauer wurde am Diodenteil 42 angelegt. Der Durchlaß- Peakstrcm der Diode betrug dabei 1850 A. Das Ergebnis zeigt, daß der maximale Differentialquotient der Spannung nach der Zeit, dV/dr, keinem Inversionsfehler unterlag und 135ν/μ5 bei einem Differentialquotienten des Stroms nach der Zeit, d//dr, von 74 \l\i.s betrug.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch schaltbares Halbleiterbauelement mit einer Halbleiterscheibe mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen und vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, von denen eine erste innere Schicht des p-Leitfähigkeitstyps einen an einer der Hauptoberflächen freiliegenden Teil aufweist, eine zweite innere Schicht des n-Leitfähigkeitstyps einen an der anderen Haupt-Oberfläche freiliegenden und an den genannten Teil der ersten inneren Schicht angrenzenden Teil aufweist, wodurch ein erster, sich seitlich durch die Halbleiterscheibe erstreckender pn-Übergang gebildet ist, eine erste äußere Schicht des n-Leitfähigkeitstyps in der ersten inneren Schicht einen zweite'n pn-Übergang bildet, dessen Rand.'läche an der einen Hauptoberfläche neben dem genannten Teil der ersten inneren Schicht frei liegt, und eine zweite äußere Schicht des p-Leitfähigkeitstyps in der jo zweiten inneren Schicht einen dritten pn-Übergang bildet, dessen Randfläche an der anderen Haupdoberfläche neben dem genannten Teil der zweiten inneren Schicht frei liegt, wodurch ein Vierschichtbereich von einem gestapelten Teil der aneinandergrenzenden vier Schichten und neben dem Vierschichtbereich ein Zweischichtbereich von den genannten Teilen der beiden inneren Schichten gebildet sind, mit einer ersten und einer zweiten Hauptelektrode zum elektrischen Verbinden des genannten Teils der ersten inneren Schicht und der ersten äußeren Schicht bzw. des genannten Teils der zweiten inneren Schicht und der zweiten äußeren Schicht und damit zum Parallelschalten des Vierschichtbereichs und des Zweischichtbereichs, und mit einer Steuerelcktrodencinrichtung zum Anschalten des Vierschichtbereichs, wobei dieser, die beiden Hauptelektroden und die Steuerelektrodeneinrichtung einen Thyristor definieren, der in einer Richtung Strom leitet, und der Zweischichtbereich und die beiden Hauptelektroden einen Diodengleichrichter definieren, der in einer anderen Richtung Strom leitet, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere Schicht (ρε) einen Verlängerungsteil aufweist, der sich seitlich ohne Überlappung mit der ersten äußeren Schicht (ώε) zwischen dem Vierschichtbereich (41) und dem Zweischichtbereich (42) erstreckt und einen Dreischichtbereich (43) in Schichtungsrichtung definiert und daß eine Dotierung mit tiefe Niveaus bildenden Atomen zumindest im Dreischichtbereich vorgenommen ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung aus Atomein zumindest eines Metalls der Gruppe Gold, Kupfer, Indium, Mangan, Nickel, Zink besteht.