DE2507404C2 - Festkörper-Schaltelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Festkörper-Schaltelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Ein solches Festkörper-Schaltelement, das aus der GB-PS 12 51 088 bekannt ist. enthält einen Thyristor und eine Diode in Parallelschaltung, wobei die Anode der Diode mil der Kathode des Thyristors und die Kathode der Diode mit der Anode des Thyristors verbunden ist. Diese Zuordnung isi sehr häufig in bestimmten Anwendungsgebieten anzutreffen, beispielsweise bei Wechselrichtern, Zwangskommutatorschaltungen und Impulsgeneratoren, und in der Praxis ervveist es sich als zweckmäßig, die beiden Bestandteile, nämlich die Diode und den Thyristor, sowie ihre Verbindungen in einem gemeinsamen tragenden Gehäuse zu vereinigen. Es ist besonders vorteilhaft, diese Vereinigungen mit Hilfe der Technik der monolithischen Integration in einem einzigen Halbleiterblock in Form einer integrierten Schaltung zu realisieren, wobei die Verbindungen zwischen den beiden Schaltungselementen durch aufgebrachte Metallschichten gebildet werden.

Derartige Vereinigungen weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. die mit der Gefahr einer unzureichenden Trennung der beiden nebeneinanderliegenden Abschnitte des Blocks verknüpft sind, die der Fhyristorfunktion bzw. der Diodenfunktion entsprechen. Einer dieser Nachteile ist von struktureller Art und besteht in der Schwierigkeit, infolge der geometrischen Nähe der beiden integrierten Bestandteile ein befriedigendes

i¹» Verhalten gegenüber hohen elektrischen Spannungen zu gewährleisten; ein weiterer Nachteil besteht in der Schwierigkeit, die physikalisch-chemischen Eigenschaften der beiden Teile unabhängig voneinander zu differenzieren, damit ihnen die gewünschten Kenngrößen erteilt werden, welche die Art, die Anzahl und die Beweglichkeit der zur Anwendung gebrachten elektrischen Ladungen betreffen.

Ein weiterer Nachteil ist schließlich von funktioneller Art und mit dem widersprüchlichen Charakter der Betriebsbedingungen der beiden integrierten Schaltungselemente verknüpft, da infolge der Art ihrer gegenseitigen Verbindung die Diode stromführend ist. wenn der Thyristor gesperrt ist, und umgekehrt. Die Vereinigung des Dioden-Stromkreises und des Thyristor-Stromkreises in einem einzigen Halbleiterblock ergibt die Gefahr der Wanderungen von elektrischen Ladungsträgern von dem einem zu dem anderen Schaltungselement durch Diffusion im Innern des Blocks, wodurch die Gefahr besteht, daß der Betrieb des Thyristors beeinträchtigt wird. Infolge dieser Gefahr ergibt sich einerseits die Notwendigkeit, große Abstände zwischen den beiden Schaltungselementen vorzusehen, die in verschiedener Hinsicht unerwünscht sind, und andererseits die Stromlinien der Ladungsträger dadurch abzugrenzen, daß in dem Halblt.'ie=-block zusätzliche Zonen oder Elektroden geschaffen werden, wodurch die Anzahl der Fertigungsoperationci und demzufolge der Herstellungspreis erhöht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Festkörper-Schaltelement der eingangs genannten Art trotz geringer Abstände zwischen der Diode und dem Thyristor und ohne zusätzliche Zonen oder Elektroden in dem Halbleiterblock für eine der Diffusion von Ladungsträgern zwischen Diode und Thyristor entgegenwirkende Trennung zwischen diesen zu sorgen.

Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden

Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, für die

Abgrenzung der Stromlinien der Ladungsträger nicht von Zonen oder Elektroden Gebrauch zu machen, die in dem Halbleiterblock erzeugt werden, sondern elektrisch isolierende Schichten anzuwenden, die auf gewisse Teile der äußeren Flächen des Halbleiterblocks aufgebracht werden: durch die Einfügung dieser Schichten /wischen dem Halbleiterkörper und den die Rolle der Verbindungen spielenden Metallschichten wird infolge einer besonderen Abgrenzung der Kontaktzonen zwischen den Metallschichten und entsprechenden Bereichen der beiden integrierten Schaltungselemente eine sehr gute elektrische Trennung der beiden von den Schaltungselementen eingenommenen Teile des Blocks erzielt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 bei (a) und (b) eine Schnittansicht einer Thyristor-Diodep.-Anordnung bekannter Art,

F i g. 2 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des Festkörper-Schaltelements nach der Erfindung und

Fig.3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform nach aer Erfindung.

Fig. l(a)zeigt ein Festkörper-Schaltelement bekannter Art das aus zwei parallelgeschalteten Halbleiteranordnungen besteht, nämlich einerseits aus einem Thyristor T mit einer Zünd- oder Steuerelektrode G, und andererseits aus einer Diode D. '5

Die Diode D besteht aus einer Anodenzone 1 und einer Kathodenzone 2, die eine gemeinsame Räche 3 haben, die den gleichrichtenden pn-übergang bilden; die mit p+ und n+ bezeichneten Bereiche 6 und 7 der Diode, die infolge starker Dotierung eine hohe Leitfähigkeit haben, bilden die nicht gleichrichtenden oder ohmschen Kontakte, die für den Anschluß der Diode erforderlich sind.

Der Thyristor Tbesteht aus einer Anodenzone 14 des Leitungstyps ρ+ , einer Basis 15 des Leitungstyps η und einer Kathodenzone 17 des Leitungstyps n + ; die Steuerelektrodenzone ist durch die Schicht 16 des Leitungstyps ρ gebildet; der mit p+ bezeichnete Bereich 18, der infolge starker Dotierung eine große Leitfähigkeit hat, bildet den ohmschen Kontakt, der für die Verbindung der Steuerelektrodenschicht 16 mit einer nicht dargestellten äußeren Steuerschaltung notwendig ist.

Die der Basis 15 und der Steuerelektrodenzone 16 gemeinsame Fläche 19 bildet einen pn-übergang.

Wie ferner angedeutet ist. sind Verbindungen C und C so ausgebildet, daß dann, wenn die Diode in der Durchlaßrichtung vorgespannt ist, der Thyristor im nichtleitenden Zustand (Sperrzustand) ist. und umgekehrt.

Zur Verringerung des Raumbedarfs und der Herstellungskosten einer solchen Schaltung ist bereits eine Ausführungsform beschrieben worden, bei der das unter der Bezeichnung monolithische Integration bekannte Mikrominiaturisierungs-Prinzip angewendet wird, bei dem die Zonen mit den gewünschten.peometrischen und elektrischen Eigenschaften durch örtlich begrenzte chemisch-physikalische Operationen in einem einzigen Halbleiterblock erzeugt werden.

F i g. l(b) zeigt schemaMsch eine solche monolithische integrierte Schaltung, die einerseits den Thyristor Tmit seiner Steuerelektrode C und andererseits die Diode D enthält.

Die Verbindungen, die den Verbindungen C und C von Fig. l(a) entsprechen, sind durch Metallschichten Mund M'realisiert.

Nun sind jedoch die beiden Anordnungen D und T gewöhnlich durch einen isolierenden geometrischen Zwischenraum voneinander getrennt; die Vereinigung dieser beiden Anordnungen in einem einzigen Halbleiterblock macht es daher notwendig, die erforderliche Trennung in Form eines elektrisch isolierenden Zwischenraums 5 aufrechzuerhalten. der durch einen Halbleiterbereich gebildet ist, dessen spezifischer Widerstand und Größe ausreichen, um zu verhindern, daß sich die Diffusio" der elektrischen Ladungsträger der Diode im Betrieb bis zu der vorn Thyristor eingenommenen Zone cn-.treckt.

Eine grundsätzliche Betriebskenngröße bei Thyristoren ist nämlich die Geschwindigkeit, mit der darin der Sperrzustnr.d ausgebildet werden kann; diese Geschwindigkeit ist durch die Geschwindigkeit vorgegeben, mit der die Spannung im Sperrzustand ansteigen kann, ohne daß der Übergang in den Leitzustand verursacht wird. Die Integration eines Thyristors und einer Diode in einem einzigen Halbleiterblock ruft die Gefahr hervor, daß in dem vom Thyristor eingenommenen Teil in schädlicher Weise elektrische Minoritäts-Ladungsträger vorhanden sind, die während der Stromführungsphase der Diode erzeugt werden, die sich daran anschließt; diese Ladungsträger vermindern die maximale Geschwindigkeit, mit welcher der Sperrzustand des Thyristors ausgebildet werden kann.

Aus diesem Grund ist bei der in Fig. l(b) dargestellten bekannten Ausführungsform der zur Diode gehörende Teil ferner durch Bereiche mit kleinen Abmessungen begrenzt, die infolge starker Dotierung eine große Leitfähigkeit aufweisen, wie die Bereiche 6 und 7, damit die Begrenzung der Stromlinien der Jiode gewährleistet ist wie sie bei 25,26 und 27 dargesteli' sind.

Für den Fall, daß gewisse Minoritäts-Ladungsträger den Umriß 25 der Stromlinien verlassen und in schädlicher Weise in den isolierenden Zwischenraum bis in die "Jähe des zum Thyristor gehörenden Teils diffundieren, ist es ferner zweckmäßig, ihre Lebensdauer dadurch zu verringern, daß in diesen Zwischenraum geeignete Störstoffe eindiffundiert werden, beispielsweise Goldatome.

Die Struktur von Fig. l(b) weist jedoch einen beträchtlichen Nachteil auf. der damit verknüpft ist, daß die elektrisch leitende Schicht M vorhanden ist, die in dem Teil 8 in Kontakt mit der oberen Fläche des Halbleiterblocks steht.

Da es nämlich für eine wirtschaftliche Herstellung praktisch notwendig ist, der p-Schicht eine verhältnismäßig große. Leitfähigkeit zu erteilen, verhält sich die Zone 8 zusammen mit der leitenden Schicht ana.bg zu dein stark leitenden Bereich 6, der die Stromlinien der Diodenzone begrenzt: in dpr Praxis haben daher gerade die Stromlinien dieses Teils einer, äußeren Umriß, wie er bei 29 dargestellt ist. so daß sie in merklicher Weise in den isolierenden Zwischenraum 5 eindringen und darin die Gefahr der bereits angegebenen schädlichen Erscheinungen verursachen.

Fig. 2 zeigt eine integrierte Struktur nach der Erfindung, die diesen Nachteil nicht aufweist.

Ihr Prinzip beruht darauf, daß eine Trennung der die zum Thyristor bzw. zur Diode gehörenden Teile verbindenden leitenden Schicht M von der Zone 8 an der oberen Fläche des Halbleiterblocks in dem ganzen Teil der leitenden Schicht vorgenommen wird, die nur die R <ie einer Verbindung spielt. Diese Trennung erfolgt durch eine Isolierschicht 31. auf die die leitende Schicht aufgebracht wird. Ein Material, das sich für diese Isolierfunktion besondert gut eignet, insbesondere dann, wenn das Material des Halbleiterblocks Silicium ist. ist Siliciumdioxid.

Die Stromlinien iO des /ur Diode gehörenden Teils des Halbleiterblocks sind auf diese Weise leicht und einfach durch die Bemessung der Ausdehnung der Kontaktfläche 11 zwischen der leitenden Schicht M und dem Halbleiterblock abgegrenzt.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform mit einer auf den Halbleiterblock aufgebrachten Isolierschicht besteht in der Möglichkeit, die pn-Übergänge durch Schichten 3) und 32 aus isolierendem Oxyd in

Verbindung mit einer planaren Struktur zu schützen, beispielsweise die Übergänge der Zonen 17 und 18.

Fig. 3 zeigt eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform der integrierten Struktur nach der Erfindung.

Bei dieser Aiisführungsform erhält die Steucrelektrodcnzone 16 des Leitungstyps ρ eine Störstoffkonzcntration, die größer als diejenige der Steuerelektrodenzone von Fig. 2 ist. so daß sie auf die gleiche Konzentration p+ wie die Anodenzone 14 gebracht wird. Damit das gleiche Konzenlrationsverhältnis beibehalten wird, werden die beiden Kathodenzonen 7 und 17 des Leitungstyps n, die zur Diode bzw. zum Thyristor gehören, auf eine Störstoffkonzentration n++ gebracht. Der erzielte Vorteil besteht darin, daß unter diesen Bedingungen die Kontaktzone 18 von F i g. 2 mit großer Störstoffkonzentration hier nicht mehr notwendig ist, weil sich nunmehr die ganze Steuerelektrodenzone auf der hohen .Siörsiuffkonzeriiraiiori p-f befinde-i. Sie hat sogar einen noch höheren Konzentrationsgrad, der nahe bei ρ + + liegt: Die Ausbildung der Zonen ρ + der erfindungsgemäßen Struktur erfolgt nämlich durch Eindiffundieren von p-Störstoff in einen Halbleiterblock aes Leitungstyps η von dessen Hauptflächen her. und unter diesen Bedingungen bildet sich im Innern der Zonen des Leitungstyps p-f bei Annäherung an die Hauptflächen ein zunehmender Konzentrationsgradient aus, was insbesondere für den Teil 33 der Zone zutrifft, die in unmittelbarer Nähe des Steuerelektrodenkontakts M" liegt, die dann im wesentlichen die Konzentration p+ + hat.

Im Gegensatz /u den bekannten Strukturen erübrigt daher die Erfindung die Ausbildung gewisser gut leitender Bereiche durch Marke Dotierung, wie der Bereiche β und 18 von K i g. l(b). wodurch die Anzahl der bei der Herstellung erforderlichen Operationen und demzufolge auch der Herstellungspreis verringert wird.

Die erfindungsgeniäße Struktur weist außerdem den Vorteil auf. dall sie infolge der ausgezeichneten Abgrenzung der Stromlinien in dem zur Divide gehörenden Teil eine Verkleinerung des /wischen der Diode und dem Thyristor notwendigen isolierenden Zwischenraum .V ermöglicht, wodurch sich eine Verringerung der Abmessungen des verwendeten Halbleitcrblocks ergibt.

Wenn es schließlich im Fall von schnellen Umschalten-

Grünlingen notwendig crsciiCiiit. in ocr t^crc!«** /uvi>r angegebenen Weise Rekombinationszentren für die elektrischen Ladungen in den isolierenden Zwischenraum einzubringen, damit die Lebensdauer der Minoritätsträger verringert wird, beispielsweise Goklatome. ergibt die Erfindung den Vorteil, daß die Dichte dieser Rekombiiiationszentren in einem breiteren Wertebereich gewählt werden kann, da es nicht mehr erforderlich ist, eine so beträchtliche Konzentration in diese ·-; isolierenden Zwischenraum einzubringen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Fesikorper-Schaltelement, bestehend aus einem Thyristor und einer Diode, die in zwei Teilen eines einkristallinen Halbleiterblocks integriert sind, der zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, wobei sich die Anodenzone des Thyristors und die Kathodenzone der Diode bis zu einer der Hauptflächen erstrecken, an der sie elektrisch miteinander verbunden sind, während sich die Steuerelektrodenzone des Thyristors, die Anodenzone der Diode und die Kathodenzone des Thyristors bis zu der anderen Hauptfläche erstrekken, wobei die von der Anodenzone der Diode und der Kathodenzone des Thyristors eingenommenen Flächenabschnitte durch eine leitende Verbindungsschicht elektrisch miteinander verbunden sind und wobei zwischen der Anode der Diode und der Kathode des Thyristors eine Isolierschicht zwischen der leitenden Verbindungsschicht und der Hauptfläche des K Jbleiterblocks angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Ausdehnung der Isolierschicht (31) festgelegte Abstand zwischen der Diode und dem Thyristor mindestens gleich der Diffusionslänge der elektrischen Ladungsträger in dem Bereich des Halbleiterblocks zwischen der Diode und dem Thyristor ist.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (31) sich teilweise über den zu der Kathode (17) des Thyristors gehörenden Flächenabschnitt erstreckt

3. Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierschicht (32) sich teilweise ßber den zu der Stvuerelektrodenzone des Thyristors gehörenden Flächenabschnitt erstreckt.

4. Schaltelement nach einem Jer vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (31,32) aus Siliciumdioxid isi.

5. Schaltelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der einkristalline Halbleiterblock aus Silicium besteht.

6. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterblork zwischen den beiden zur Diode bzw. zum Thyristor gehörenden Teilen Rekombinationszentren für elektrische Ladungen enthält.

7. Schaltelement nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentren Goldatome enthalten.