DE2422395C3

DE2422395C3 - Thyristor

Info

Publication number: DE2422395C3
Application number: DE19742422395
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.Rer.Nat. 6078 Neu-Isenburg Schlangenotto
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1974-05-09
Filing date: 1974-05-09
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE2422395B2; DE2422395A1

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen im folgenden im Vergleich zum Stand der Technik anhand von drei Figuren näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration bei einem konventionellen und einem Thyristor gemäß Patentanmeldung P 23 33 42S'.

Fig.2 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration bei einem Thyristor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig.3 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration zur Erläuterung einer bevorzugten Weiterbildung und der .Herstellung eines Thyristors gemäß der Erfindung.

Ein konventioneller Thyristor hat typischerweise das in Fig. 1 durchgezogen gezeichnete Dotierungsprofil, 's wobei die angegebenen Schichtdicken repräsentativ für einen derartigen Thyristoraufbau sind Als Beispiel wurde ein sogenannter diffundierter Thyristor angenommen. Die Zonen pi und pi bilden eine p-leitende Zone, die als anodenseitiger Emitter wirkt. n\ ist die η-Basis,, ps die p-Basis und ηχ die kathodenseitige Emitterschicht des Thyristors. Im durchgeschaiteten Zustand des Bauelementes stellt sich ein durch die strichpunktierte Linie dargestellter Konzentrationsverlauf der injizierten Ladungsträger ein. Ein von der Größe des Stromes abhängiger Teil des p-Emitters ist mit Ladungsträgern überschwemmt Die Dicke W_nQ) des mit Ladungsträgern überschwemmten Teiles des p-Emitters überschreitet bei hohen Stromdichten sogar die Dicke Wp₃ der p-Basis und beträgt in typischen Fällen 30 bis 50 μπι. Die Überschwemmung des Emitters wirkt sich auf den Durchlaßspannungsabfall so aus, daß nicht die wirkliche Basisdicke

W« iV„| + Wp₃, jj

sondern die effektive Basisdicke

Wc-Wn_x+ W„+ W_n(J)

den Spannungsabfall bestimmt Die Basisdicke erscheint also um W_n (i) vergrößert, wodurch auch der Spannungsabfall ansteigt W_n ist, wenn die p-Basis nur zum Teil überschwemmt ist eine stromabhängige, effektive Dicke der p-Basis. Diese einfache Rechnung gilt unter der Voraussetzung, daß die Ladungsträgerlebensdauer in dem überschwemmten Teil des Emitters wie auch -n der p-Basis gleich der Lebensdauer in der η-Basis ist In der Regel jedoch ist die Lebensdauer in dem zur Basis hinzuzurechnenden Teil des p-Emitters kleiner als in der η-Basis selbst Die Überschwemmung des Emitters wirkt sich «iaher noch stärker aus, als es der geometrischen Basisaufweitung entspricht (»Solid-State Electron!«!«, Bd. 9,1966, S. 1098-1105).

Durch die Maßnahmen der Patentanmeldung P 23 33 429 wird die effektive Vergrößerung der L/Usisdicke bei Darchlaßbelastung gcnz oder teilweise verhindert, indem das Dotierungsprofil des p-Emitters so abgeändert wird, daß es an der Grenzfläche zu der n-Basis möglichst steil ansteigt

Bei einem ersten Ausführungsbeispisl der vorliegenden Erfindung wird der p-Emitter so ausgebildet daß die Dotierungskonzentration in einem bestimmten Abstand von der Grenzfläche zur η-Basis (F i g. 2) steil ansteigt. Der Abstand des steilen Anstiegs des Dotierungsprofils von der Grenzfläche zur η-Basis soll im günstigsten Fall so groß gewählt werden, daß die Ausdehnung der "aumladungszone in dem konventionellen, durch Störstellendiffusion erzeugten Teil des Emitters bei Anliegen der maximalen Spannung in der Rückwärtsrichtung durch das steile Profil gar nicht oder nur unwesentlich behindert wird. Dann wird durch den stellen Konzentrationsgradienten die Sperrfähigkeit nicht beeinträchtigt, die Vorwärtscharakteristik bei hohen Stromdichten aber infolge der kleineren effektiven Basisdicke verbessert Dies ist deshalb möglich, da der p-Emitter einer konventionellen Struktur bei hoher Durchlaßbelastung erheblich weiter überschwemmt ist als die Ausdehnung der Raumladungszone in dem p-Emitter bei anliegender Spannung in der Rückwärtsrichtung. Da die Durchlaßcharakteristik auch durch die Rekombination in den hochdotierten Randgebieten mitbestimmt wird, soll die Rekombination in dem neuen p-Emitter nicht wesentlich größer sein als in dem hochdotierten, nicht überschwemmten Teil des ursprünglichen Emitters.

Bezüglich der Ableitung der Verlustwärme aus dem Basisgebiet hätte die verbesserte Struktur die gleichen Eigenschaften wie die konventionelle Dotierungsstruktür, wenn der Emitter so dick wäre wie das p-Emittergebiet im konventionellen FiIL also typischer-Wcise 100 μιη. Zusätzlich zu der teihveisen Verhinderung der Basisaufweitung durch das steise oder abrupte Profil ergibt sich nun eine weitere Verbesserung dadurch, daß man die Emitterdicke kleiner wählt Die Dicke der hochdotierten, nicht überschwemmten Emitterschicht kann ohne Beeinträchtigung der Wirkungsweise des Bauelementes bis auf ein Mehrfaches der Diffusionslänge der Minoritätsträger reduziert werden. Da letztere '.n hochdotierten Zonen sehr klein ist reicht eine Dicke von 10 μπι für die hochdotierte, nicht überschwemmte Emitterschicht in den praktisch wichtigsten Fällen voll aus. Das bedeutet daß die Dicke der Siliciumscheibe in obigem Beispiel um 90 μπι verkleinert werden kann.

Eine gewisse Verbesserung des Bauelementes resultiert daraus zunächst schon deshalb, weil bei hohen Stromdichten auch der Spannungsabfall Über dem Emittergebiet eine Rolle spielt Die Verringerung dieser Verluste hängt von der Verringerung der Emitterdicke im Vergleich zu der Dicke der hochdotierten, nicht überschwemmten Teils des p-Emitters der gewöhnlichen Struktur ab.

Die Verbesserung der Wärmeableitung folgt daraus, daß der Metallboden durch die Verringerung der Emitterdicke näher an das Gebiet heranrückt, wo die Verlustwärme zum größten Teil entsteht nämlich das Basisgebiet mit den angrenzenden schmalen Rändern der hochdotierten Gebiete. Der Metallboden aus Wolfram oder Molybdän und eventuell einer an das Silicium angrenzenden Zwischenschicht aus Silumin hat nämlich bessere Wärmeleitungs- und Wärmespeichereigenschaften als das Silicium. Für den Ausgleich einer durch den Stromfluß in der Siliciumscheibe erhöhten Temperatur ist die Thermo-Diffusivität

x = —maßgebend (K Wärmeleitfähigkeit-.; spezifische

Wärme, q Dichte). Diese Größe für das Silicium und das Metall bestimmt die örtliche Temperaturverteilung für die verschiedenen Zeiten. Aus der Temperaturverteilung ergibt sich dann die aus dem Basisgebiet (und benachbarten schmalen Rändern der hochdotierten Gebiete) in Richtung Bodenplatte abgeflossene Wärmemenge, indem man die Temperaturerhöhung mit der spezifischen Wärme pro Volumen qc multipliziert und über p-Emitter und Bodenplatte integriert Hierbei ist an kurzzeitige Belastungen gedacht, solange die an die Kupferwärmesenke des Gehäuses und nach außen

abgegebene Wärme keine Rolle spielt. Die κ- und pc-Werte für Silicium, Wolfram, Molybdän und Silumin sind für Temperaturen von etwa 500 K, bei denen die Stoßstrombelastungen im allgemeinen besonders kritisch sind, in der folgenden Tabelle zusammengestellt:

Si

[cmVsecl cfcal/cn/

Die Erfindung läßt sich mit gleich gutem Erfolg auch bei einer Thyristordiode mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungsiyps anwenden. Es bestehen dort die gleichen Verhältnisse, lediglich mit dem Unterschied, daß im Gegensatz zur Thyristortriode keine Steuerelektrode vorhanden ist.

Mo Silumin

0,33 0,53 0,47 0,63 0,46 0,65 0,66 0,64

Wie man sieht, sind sowohl die x- als auch die QOWerte der benutzten Metalle größer als bei Silicium. Der Unterschied zwischen den κ-Werten von Silicium und denen der Metalle nimmt mit der Temperatur zu. Wird nun eine Siliciumschicht von z. B. 90 μπι Dicke entfernt und rückt dafür die Bodenplatte aus Silicium und Wolfram {oder Molybdän) nach, so geht

1. wegen des größeren x-Wertes der Temperaturausgleich schneller vor sich,

2. ist bei gegebener Temperaturerhöhung wegen des größeren pc-Wertes die Wärmeaufnahme in dem Bereich des Metalls größer, wo vorher das Silicium war. ^2S

Die so verbesserte Wärmeableitung ist für starke kurze Belastungen von Bedeutung, bei denen sich die Temperatur stark erhöht und solange an der Wärmeleitung nur ein kleiner Bereich in der Bodenplatte teilnimmt, dessen Dicke noch nicht groß ist gegen den Betrag, um den die Emitterdicke verkleinert wird. Die Verkleinerung der Emitterdicke führt aus diesen Gründen zu einer Verbesserung der Stoßstromfestigkeit Die Wärmeableitung unter Dauerbelastung, bei der es auf den stationären Wärrnewiderstand ankommt und bei der die Kupferwärmesenke des Gehäuses eine große Rolle spielt, wird weniger verbessert

Das Herstellungsverfahren soll anhand der Fig.3 näher erläutert werden.

Ausgehend von einer η-leitenden Siliciumscheibe, werden zunächst durch Eindiffusion von Gallium zwei p-leitende Leitungszonen erzeugt. Zur Einstellung der Zündeigenschaften des Thyristors wird die Zone pj in der Regel in ihrer Dicke durch Abätzen oder Abläppen verkleinert Zur Vervollständigung der konventionellen Struktur werden bei einer volldiffundierten Ausführung durch Diffusion mit Phosphor oder Arsen die n-leitenden Zonen rh und /73 erzeugt, wobei die Leitungszone /73 anschließend wieder entfernt wird. Die konventionelle Thyristorstruktur würde nunmehr aus dem anodenseitigen Emitter pi und dem kathodenseitigen Emitter in sowie den beiden Basisgebieten /Ji und ps bestehen, wobei der Steueranschluß an der Leitungszone P₃ liegt Die erfindungsgemäße Struktur wird nach dem zweiten Diffusionsschritt dadurch erhalten, daß man die Leitungszonen in und pi bis zu einem vorbestimmten Abstand zu der Leitungszone it\ aDträgt und anschließend, beispielsweise durch Einlegieren von Aluminium, den gestrichelt dargestellten neuen Teil pf des w> p-Emitters erhält Die Abtragung der Zone pz und das Einlegieren des Aluminiums sind derart aufeinander abzustimmen, daß die Rekristallisationsfront in dem gewünschten Abstand von der p2/7i-Obergangsfläche liegt Dieser Abstand richtet sich nach der Sperrschichtausdehnung in der prZone bei der maximalen Sperrspannung. Die Fertigstellung des Bauelementes auf der Kathodenseite erfolgt in bekannter Weise.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

ι 2 Die Erwärmung von Thyristoren bei nicht zu hohen Patentansprüche: Frequenzen erfolgt vorwiegend durch die im durchgeschalteten Zustand auftretende Verlustleistung. Die

1. Thyristor mit mindestens vier Zonen abwech- Durchlaßcharakteristik bestimmt über die Erwärmung selnd entgegengesetzten Leitungstyps, einem An- 5 die Strombelastbarkeit Bekanntlich hängt das Durchoden- und einem Kathodenkontakt sowie minde- laßverhalten eines Thyristors von der Dicke der beiden stens einer Steuerelektrode, bei dem die anodenseiti- Basiszonen und der Ladungsträgerlebensdauer in diesen ge, als Emitter wirkende Leitungszone von der Gebieten ab. Unter den Basiszonen werden üblicher-Grenzfläche zu der benachbarten inneren Zone n\ weise die beiden Basen der den Thyristor bildenden her zunächst innerhalb einer Zone pi nach Art eines io Teiltransistoren verstanden. Bei einem Thyristor mit flachen, durch Störstellendiffusion erzeugten Diffu- vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungssionsprofils zunimmt und anschließend steil ansteigt, typs sind die Basisgebiete die beiden inneren Zonen. Bei dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einem konventionellen Thyristor mit einer sich von der der Zone pi mit dem flachen Dotierungsprofil Anode zur Kathode erstreckenden pnpn-SchichtenfoIge gerade so groß ist, daß die Raumladungszone ΐί werden die Durchlaßverluste insbesondere von der innerhalb dieser Zone derart verläuft, daß ihre η-Basis bestimmt

Ausdehnung bei der maximalen Sperrspannung in Bei einem älteren Vorschlag (P 23 33 429) wird das

Rückwärtsrichtung durch das steile Profil gar nicht Durchlaßverhalten eines Thyristors dadurch verbessert,

oder nur unwesentlich behindert wird. daß die anodenseitige, als Emitter wirkende Leitungszo-

2. Thyristor nach Anspruch I₁ dadurch gekenn- 20 ne, die üblicherweise einen flachen Konzentrationsgrazeichnet, SgB die Dicke der Zone p2 mit dem flachen dienten des Dotierungsmaterials hat einen möglichst Störstellenprofil zwischen 5 und 40 μΐη liegt steilen Konzentrationsgradienten des Dotierungsmate-

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch rials an der Grenzfläche zu der benachbarten inneren gekennzeichnet, daß der hochdotierte Teil p\ der Zone aufweist Dabei ist der Grenzfall eingeschlossen, anodenseitigen Emitterzone, der an den steilen 25 daß die anodenseitige Leitungszone etwa homogen Konzentrationsgradienten anschließt und sich bis dotiert ist und die Dotierungskonzentration an der zum Anodenkontakt erstreck«; eine Dicke aufweist, Grenzfläche zu der benachbarten inneren Leitungszone die etwa gleich der fünffachen Diffusionslänge der abrupt abfällt

Minoritätsladungsträger in dieser Zone ist Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das Durch-

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekenn- 30 laßverhalten eines Thyristors zu verbessern, ohne sein zeichnet, daß der hochdotierte Teil p_t eine Dicke Sperrverhalten zu verschlechtern.

zwischen 5 und 20 um aufweist Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

5. Verfahren ::ur Hemellur«v, eines Thyristors nach gelöst, daß die Dicke der Zone mit dem flachen den Ansprüchen i bis 4, wobei die anodenseitige Dotierungsprofil gerade so groß ist, daß die Raumla-Emitterzone zunächst durch E^:-.diffusion von Stör- 35 dungszone innerhalb dieser Zone derart verläuft, daß stellen und die weiteren Leitungszonen nach dem ihre Ausdehnung bei der maximalen Sperrspannung in Diffusions- oder dem Diffusions- und Legierungsver- Rüekwärtsrichtung durch das steile Profi! gar nicht oder fahren hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, nur unwesentlich behindert wird. Das Herstellungsverdaß die Emitterzone zum Teil abgetragen und fahren gemäß der Erfindung wird im Patentanspruch 5 anschließend ein Emitter mit steilem Konzentra- 40 angegeben und gemäß Anspruch 6 weitergebildet tionsgradienten derart einlegiert wird, daß die Front Die Dicke der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil der rekristallisierten Zone innerhalb des ursprüngli- wird also so bemessen, daß eine Grenze der chen Emitters in dem gewünschten Abstand von der Raumladungszone bei Spannungen unterhalb der benachbarten Zone entgegengesetzten Leitungstyps Durchbruchspannung innerhalb der Zone mit dem verläuft 45 flachen Dotierungsprofil verläuft Durch diese Maßnah-

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn- me wird die Ausdehnung der Raumladungszone durch zeichnet, daß in dem zweiten Verfahrensschritt ein den hochdotierten Teil des Emitters nicht behindert Die Emitter mit steilem Konzentrationsgradienten durch Dicke der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil liegt Eindiffusion von Störstellen oder mittels Epitaxie im allgemeinen zwischen 5 und 40 μΐη. Bei der erzeugt wird. ig Herstellung des Emitters gemäß der Erfindung durch

Anwendung der Legierungstechnik oder Epitaxie ist die

Emitterzone vom Anodenkontakt bis zu dem Bereich

des steilen Konzentrationsgradienten annähernd homo-Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit mindestens gen dotiert.

vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungs- 55 Eine zusätzliche Verbesserung der Durchlaßcha-

typs. einem Anoden- und einem Kathodenkontakt sowie rakteristik besteht bei einer bevorzugten Weiterbildung

mindestens einer Steuerelektrode, bei dem die anöden- der Erfindung darin, daß die Dicke des hochdotierten

seitige, als Emitter wirkende Leitungszone von der Teils der anodenseitigen Emitterzone, der an den steilen

Grenzfläche zu der benachbarten inneren Zone her Konzentrationsgradienten anschließt und sich bis zum

zunächst innerhalb einer Zone nach Art eines flachen, wi Anodenkontakt erstreckt, kleiner gemacht wird als in

durch Störstellendiffusion erzeugten Diffusionsprofils einer konventionellen Struktur. Eine Dicke von etwa

zunimmt und anschließend steil ansteigt der fünffachen Diffusionslänge der Minoritätsträger in

Ein Thyristor der eingangs genannten Art ist aus dem dem hochdotierten Teil, die in den meisten Fällen

Buch »Semiconductor Controlled Rectifiers«, Engle- weniger als 1 μΐπ beträgt, reicht aus. Unter Berücksichti-.

wood Cliffs, 1964, Seiten 132 bis 143, insbesondere μ gung praktischer Gründe bei der Herstellung eines

F i g. 3.4, bekannt. Hierbei handelt es sich um einen Thyristors gemäß der Erfindung wird eine Dicke von 5

kommerziellen Thyristor, der in bekannter Weise als bis 20 μπι für den hochdotierten Teil der Emitterzone

diffundiert-legierter Thyristor hergestellt wird. (N > \ 0" cm -³) angestrebt.