DE2149761C3

DE2149761C3 - Thyristor with isolated field control electrode

Info

Publication number: DE2149761C3
Application number: DE19712149761
Authority: DE
Inventors: Akio Ikeda Yamashita (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1970-10-09
Filing date: 1971-10-05
Publication date: 1977-03-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor gemäß rs dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a thyristor according to rs the preamble of the claim.

Aus der DT-OS 15 89 681 ist ein Halbleiterelement entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs bekannt da.« als elektronischer Koppelpunkt für die Durchschaltung von Sprechwegen in Fernsprechanlagen dient Bei diesem bekannten Halbleiterelement erfolgt eine Durchschaltung in den Leitzustand nur, solange an der Steuerelektrode ein Signal anliegtFrom DT-OS 15 89 681 is a semiconductor element according to the preamble of the claim known da. «as an electronic coupling point for the Switching through speech paths in telephone systems is used in this known semiconductor element switching to the conductive state only takes place as long as a signal is present on the control electrode

Aus den Vorveröffentlichungen »Applied Physics Letters«, Band 8, Nr. 6 und »Proceedings of the IEEE«, Band 54, Nr. 6 sind Verfahren zur Herstellung von Fangzentren für bestimmte Ladungsträger in Isolierschichten aus SiO₂ beschrieben, bei denen die Isolierschichten eher Strahlung mit hoher Energie ausgesetzt werden. Durch diese Bestrahlung ändern sich die Eigenschaften von MOS-Kondensatoren bzw. von MOS-Halbleitern.From the previous publications "Applied Physics Letters", Volume 8, No. 6 and "Proceedings of the IEEE", Volume 54, No. 6, methods for producing trapping centers for certain charge carriers in insulating layers made of SiO _{2 are} described, in which the insulating layers tend to Exposed to high energy radiation. This irradiation changes the properties of MOS capacitors or MOS semiconductors.

Aufgabe der Erfindung ist es, »-inen Thyristor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs zu schaffen, der eine Speicherung eines an ihn angelegten Steuersignals ermöglichtThe object of the invention is to provide a thyristor according to to create the preamble of the claim, the storage of a control signal applied to it enables

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöstThis object is achieved by the features specified in the characterizing part of the claim

Bei dem erfindungsgemäßen Thyristor befinden sich in der Isolierschicht Ladungsträger-Fangzentren, die entweder durch Dotierung der Isolierschicht mit niedrige Niveaus bildenden Dotierstoffen wie Au, Cu, Na, Fe und Ni erzeugt werden oder durch Gitterfehler entstehen. Derartige Gitterfehler werden durch Bestrahlung mit radioaktiven Strahlungen oder durch Änderung der Bedingungen beim Dampfniederschlag herbeigeführt Beim Anlegen eines Steuersignals an die Steuerelektrode werden Ladungsträger in den Ladungsträger-Fangzentren eingefangen und dort festgehalten. Wenn das Steuersignal wieder abgetrennt wird, bleiben die entsprechenden Ladungsträger weiter in den Ladungsträger-Fangzentren festgehalten, so daß durch die dadurch sntsichcTidc Lsdung dzz glsichs Potsnilsü wie beim Anlegen des Steuersignals bestehen bleibt Auf diese Weise bleibt der Leitzustand des Thyristors, der beim Anlegen des Steuersignals erzielt wurde, erhalten so daß also das Steuersignal hinsichtlich seiner Auswirkung gespeichert istIn the thyristor according to the invention, charge carrier trapping centers are located in the insulating layer, which are either generated by doping the insulating layer with low-level dopants such as Au, Cu, Na, Fe and Ni or caused by lattice defects. Such lattice defects are brought about by exposure to radioactive radiation or by changing the conditions during vapor deposition. When a control signal is applied to the control electrode, charge carriers are captured in the charge carrier trapping centers and held there. When the control signal is disconnected again, the corresponding charge carriers continue to be held in the charge carrier trapping centers, so that due to the sntsichcTidc solution dzz and potsnilsü remains as when the control signal is applied was obtained, so that the control signal is stored with regard to its effect

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der schematischen Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutertThe invention is illustrated below with reference to the schematic drawing of exemplary embodiments explained in more detail

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform des Thyristors mit isolierter Feldsteuerungselektrode; Fig. 1 shows a cross section of an embodiment the thyristor with isolated field control electrode;

F i g. 2 zeigt eine grafische Darstellung von statischen Kennwerten der Ausführungsform nach F i g. 1;F i g. FIG. 2 shows a graphic representation of static characteristic values of the embodiment according to FIG. 1;

Fig.3 zeigt einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform des Thyristors mit isolierter Feld-Fig. 3 shows a cross section of another embodiment of the thyristor with isolated field

steuerungselektrode.control electrode.

In Fig. 1 ist ein n-leitfähiges Halbleitersubstrat mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. In dem Substrat 1 sind p-Leitfähigkeitsbereiche 2 und 3 gebildet Auf dem p-Bereich 2 ist eine Elektrode 4 angeordnet. In dem p-Bereich3 ist ein n-Bereich 5 gebildet Auf dem n-Bereich 5 ist eine Elektrode 6 angeordnet Zwischen den p-3ereichen2 und 3 ist auf der Oberfläche des Substrats 1 eine Ladungsträger-Fangzentren aufweisende Isolierschicht 7 gebildet, auf der eine Torelektrode 8 vorgesehen istIn Fig. 1, an n-conductive semiconductor substrate is with the reference number 1 denotes. In the substrate 1, p-type conductivity regions 2 and 3 are formed An electrode 4 is arranged in the p-region 2. In the p region 3, an n region 5 is formed n-area 5, an electrode 6 is arranged between the p-3areas 2 and 3 is on the surface of the Substrate 1 formed an insulating layer 7 having charge carrier trapping centers, on which a gate electrode 8 is provided

Dieses in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaute Element besitzt zwischen den Elektroden 4 und 6 einen pnpn-Aufbau und zeigt dieselbe Strom-Spannungs-Charakteristik wie ein gewöhnlicher Thyristor. Demzufolge ist die Ein-Aus-Steuerung des zwischen den Elektroden 4 und 6 fließenden Stroms mittels eines an die Steuerelektrode 8 angelegten Potentials möglich. Da in der Isolierschicht 7 des Elements Ladungsträger-Fangzentren vOrhanden sind, entsteht durch das Einfangen von elektrischen Ladungen in diesen Ladungsträger-Fangzentren eine Speicherwirkung. Das gleiche Ergebnis wird erhalten, wenn die η-Bereiche durch p-Bereiche und die p-Bereiche durch n-Bereiche ersetzt werden.This element, constructed in the manner described above, has 4 between the electrodes and FIG. 6 shows a pnpn structure and shows the same current-voltage characteristic as an ordinary thyristor. Accordingly, the on-off control of the current flowing between the electrodes 4 and 6 is possible by means of a potential applied to the control electrode 8. Since in the insulating layer 7 of the Elements load carrier capture centers are available, is created by the trapping of electrical charges in these charge carrier trapping centers Memory effect. The same result is obtained when the η regions are replaced by p regions and the p-areas are replaced by n-areas.

Im folgenden «/ird ein Verfahren zur Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Ausführangsfonn des erfindungsgemäßen Halbleiters und dessen Betriebsweise erläutert In der Oberfläche eines n-Siliciumsubstrats 1 werden durch Eindiffundierung von Bor als Verunreinigungsstoff p-Bereiche 2 und 3 gebildet, wie dies aus F i g. 1 ersichtlich ist Dann wird ein n-Bereich 5 durch Eindiffundierung von Phosphor in dem p-Bereich S gebildet wie dies ebenfalls aus F i g. 1 ersichtlich ist Durch thermische Oxydation wird über der so behandelten Oberfläche des Substrats 1 ein Siliciumdi-OXJd-(SiOz)-FiIm gebildet Dann werden durch Photoätzt., die nicht notwendigen Ar >chnitte des SiO₂-FiImS entfernt, was zu einer Isolisrschicht 7 führt, in die Gold (Au) eindiffundiert wird. Die Elektroden 4, 6 und 8 werden durch Aluminiumdampfniederschlag erzeugt Auf diese Weise wird ein Element mit pnpn-Aufbau hergesteiit in F i g. 2 ist ein Sirom-Spannungsdiagramni dieses Elements mit einer an die Steuerelektrode 8 angelegten Spannung als Parameter dargestelltA method for producing the embodiment of the semiconductor according to the invention shown in FIG. 1 and its mode of operation is explained below i g. 1 can be seen. An n-area 5 is then formed by diffusion of phosphorus in the p-area S , as is also shown in FIG. 1 can be seen is by thermal oxidation is formed on the thus treated surface of the substrate 1, a Siliciumdi-OXJd- (SiO) -FiIm Then, by photoetched., The unnecessary Ar> chnitte of SiO ₂ -FiImS removed, resulting in a Isolisrschicht 7 leads into which gold (Au) is diffused. The electrodes 4, 6 and 8 are produced by aluminum vapor deposition. In this way, an element with a pnpn structure is produced in FIG. 2 shows a Sirom voltage diagram of this element with a voltage applied to the control electrode 8 as a parameter

Wird eine Spannung an die Steuerelektrode 8 angelegt so werden elektrische Ladungen in die SiOrSchicht 1 eingegeben und dann von den durch die diffundierten Gold-(Au)-Atomen gebildeten Fangzentren eingefangen. Daher bleibt die SiO₂-Isolierschicht 7 geladen, selbst nachdem die der Steuerelektrode 8 zugeführte Spannung verschwindet. Demzufolge bectpht weiterhin ein elektrisches Feld, das der zuvor angelegten Steuerspannung — oder strenger d«n eingefangener -adungen — zugemessen werden kann. Dieses Feld beeinflußt die pn-Übergänge zwischen dem p-Bereich 2 und dem n-Substrat 1 und zwischen dem Bereich 3 und dem n-Substrat 1. Wird nämlich eine bestimmte Spannung an die Steuerelektrode 8 angelegt, beginnt das Element bei entsprechender Kippspannung zwischen den Elektroden 4 und 6 zu leiten. Dann wird die Steuerspannung weggenommen. Das Steuerfeld bleibt jedoch bestehen, da die elektrischen Ladungen noch in den Fangzentren der Isolierschicht 7 eingefangen sind und ein elektrisches Feld bilden. Wird eine Spannung an das Element zwischen den Elektroden 4 und 6 angelegt, ohne daß irgendeine Spannung an der Steuerelektrode 8 anliegt, beginnt das Element bei einerIf a voltage is applied to the control electrode 8, electrical charges are introduced into the SiOr layer 1 and then captured by the trapping centers formed by the diffused gold (Au) atoms. Therefore, the SiO ₂ insulating layer 7 remains charged even after the voltage applied to the control electrode 8 disappears. As a result, an electric field continues to be generated, which can be assigned to the previously applied control voltage - or, more strictly, the trapped charges. This field influences the pn junctions between the p-region 2 and the n-substrate 1 and between the region 3 and the n-substrate 1. If a certain voltage is applied to the control electrode 8, the element begins with a corresponding breakover voltage between the Electrodes 4 and 6 to conduct. Then the control voltage is removed. The control field remains, however, since the electrical charges are still trapped in the trapping centers of the insulating layer 7 and form an electrical field. If a voltage is applied to the element between the electrodes 4 and 6 without any voltage being applied to the control electrode 8, the element starts at one

Kippspannung zu leiten,die die gleiche ist, als wenn eine Steuerspannung vorliegt, die gleich der anfänglich an die Steuerelektrode 8 angelegten Steuerspannung ist.To conduct breakover voltage which is the same as if one Control voltage is present which is equal to the control voltage initially applied to control electrode 8.

In Fig.3 ist eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterelements gezeigt. In dieser Ausführungsform ist das verwendete Substrat Galliumarsenid (GaAs). Die in F i g. 3 gezeigten p- und n-Bereich^ sind durch Kristallwachstum gebildet.In Fig.3 is another embodiment of the semiconductor element according to the invention shown. In this embodiment, the substrate used is Gallium arsenide (GaAs). The in F i g. 3 p and n regions ^ are formed by crystal growth.

In Fig.3 IFt ein η-leitendes GaAs-Substrat mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet Auf beiden Seiten des Substrats 9 sind p-Bereiche 10 ^nd St gebildet. Ein n-Bereich 12 ist auf den p-Bercich 1! aufgebracht worden. Ap. dem p-Bereich 10 ist e. - Elektrode 13 befestigt. Durch eine geeignete T^chrv'-- «md Nuten 16a und 166 gebildet. Isolierschicht. **i und 156 sind derart gebildet, daß sie Ci? '''.^n I6a und 166 auskleiden und das n-Subsu^ }, den p-Bereich Il und den n-Bereich 12 überdecken, die in den Nuten 16a und 166 freiliegen, wie die., ·η Fig.3 gezeigt ist. Die Isolierschichten 15a und 156 sind durch Dampfniederschlag von SiO₂ gebildet, dem Gold (A>·) hinzugefügt wurde. Auf den Isr'ier ;hichten 15s !jzw. 156 sind hauptsächlich auf den Oberflächen in und in der Nähe der Nuten 16a und 166 Elektroden 17a bzw. 176 zur Bildung von Feldeffekt-Steuerelektroden gebildet Eine Elektrode 14 ist zwir '.^n den Nuten 16a und 166 auf der Oberfläche des η-Bereichs 12 angeordnet Somit wird ein pnpn-Element mit einer Thyristor-Kennlinie gebildet. Bei Steuerung mit einer an die Feldeffekt-Steuerelektroden 17a und 176 angelegten Spannung folgt die Strom-Sparnungskennlinie des Elements einer Gruppe von Kurven, die gleich den in Fig.2 gezeigten sind. In der Ausführungsform nach F i g. 3 sind in den S1O2-Isolierschichten 15a und 156 Fangzentren gebildet, so ds3 dieses pnpn-Element ebenfalls eine Speicherwirkung in gleicher Weise wie das pnpn-Element nach F i g. 1 hat Das Element beginnt nämlich nach Wegnahme der Steuerspannung bei einer vergleichsweise niedrigen Kippspannung zwischen den Elektroden 17a und 176 zu leiten. Der einzige Unterschied zwischen dem Element nach F i g. 1 und dem nach F i g. 3 besteht darin, daß das Element nach F i g. 3 GaAs als Substrat verwendet, so daß eine Elektrolumineszenz an den pn-Übergangszonen vorliegt, wenn das Element leitetIn FIG. 3 IFt an η-conductive GaAs substrate denoted by the reference number 9. On both sides of the substrate 9, p-regions 10 ^ nd St are formed. An n-area 12 is on the p-area 1! been applied. Ap. the p-region 10 is e. - Electrode 13 attached. Formed by suitable grooves 16a and 166. Insulating layer. ** i and 156 are formed in such a way that they are Ci? Line '''. ^ n I6a and 166 and cover the n-subsu ^ }, the p-area II and the n-area 12, which are exposed in the grooves 16a and 166, as shown in the., η Fig.3 is. The insulating layers 15a and 156 are formed by vapor deposition of SiO ₂ to which gold (A> ·) has been added. On the Isr'ier; hicht 15s! Respectively 156 are formed mainly on the surfaces in and near the grooves 16a and 166, electrodes 17a and 176 for forming field effect control electrodes, respectively A pnpn element with a thyristor characteristic is thus formed. When controlled with a voltage applied to the field effect control electrodes 17a and 176, the current saving characteristic of the element follows a group of curves similar to those shown in FIG. In the embodiment according to FIG. 3 trapping centers are formed in the S1O2 insulating layers 15a and 156, so this pnpn element also has a storage effect in the same way as the pnpn element according to FIG. The element begins to conduct namely after the control voltage is removed at a comparatively low breakover voltage between the electrodes 17a and 176. The only difference between the element according to FIG. 1 and that according to FIG. 3 consists in that the element according to FIG. 3 GaAs is used as the substrate, so that there is electroluminescence at the pn junction zones when the element conducts

In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen werden Si und GaAs als Substrat verwendet. Statt dessen können jedoch auch "· ^ilbleiter wie GaP, Ge, GaPAs, InAs und CdS erfolgreich verwendet werden.In the embodiments described above, Si and GaAs are used as the substrate. Instead of of this, however, "· ^ ilconductors such as GaP, Ge, GaPAs, InAs and CdS can be used successfully.

Der Thyristor mit isolierter Feldsteuerungselektrode kann als logisches Element oder Schaltelement verwendet werden und findet im Bereich elektronischer Rechnerschalttechniken breite Anwendung.The thyristor with the insulated field control electrode can be used as a logic element or a switching element and is widely used in the field of electronic computer switching technology.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Thyristor with at least four semiconductor areas with alternating p and η conductivity and with an insulating layer extending over at least three of the semiconductor regions and on the one Control electrode is arranged, characterized in that the insulating layer (7, 15a, 156) Contains load carrier trapping centers.