DE2639364B2 - Thyristor - Google Patents

Thyristor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiger Thyristor ist bekannt (DE-OS 614440).
Thyristoren haben im allgemeinen einen Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, die zwischen jeweils benachbarten Schichten einen PN-Übergang bilden, wobei zwei Hauptelektroden in ohmschem Kontakt mit jeweils der äußeren P- bzw. N-leitenden Schicht des Halbleiterkörpers sind und eine Steuerelektrode die Schichten zwischen den Hauptelektroden aus dem Sperr- in den Durchlaßzustand umschaltet. Dieser Thyristor arbeitet so, daß er so lange sperrt, wie eine Vorwärtsspannung, die kleiner ist als eine als Vorwärts-Kippspannung bezeichnete kritische Spannung, an den Hauptelektroden liegt, und daß er vom Sperr- in den Durchlaßzustand bei Einspeisung eines Steuersignals von der Steuerelektrode umschaltet.
Bei diesem Thyristor mit einem derartigen Schaltverhalten kann dessen Arbeitsweise verbessert werden, wenn die Impedanz der Schichten zwischen den Hauptelektroden im Durchlaßzustand verringert wird, d. h. wenn die Durchlaßspannung kleiner gemacht wird. Hauptfaktoren, die diese Durchlaßspannung des Thyristors bestimmen, sind die Spannungssumme an den PN-Übergängen und der Spannungs-
ν-,
abfall in der P-leitenden und der N-leitenden Basisschicht aufgrund deren Widerstandswerte. Dieser Spannungsabfall in der P-leiienden und der N-leitenden Basisschicht aufgrund deren Widerstandswerte wird kleiner, wenn die Menge der in die Basisschichten von den Emitterschichten injizierten Ladungsträger größer ist, und die Menge der in die Basisschichten injizierten Ladungsträger nimmt mit zunehmenden Fremdstoffen in den Emitterschichten zu. Daher wird gewöhnlich die Fremdstoff menge in den Emitterschichten ausreichend erhöht, um den Spannungsabfall in den Basisschichten zu verringern, so daß dadurch die Durchlaßspannung des Thyristors herabgesetzt wird. Jedoch führt diese zunehmende Fremdstoffmenge in den Emitterschichten zu einer umgekehrten Wirkung, die in einer entsprechenden Zunahme der Spannung an den PN-Übergängen besteht. Die gewünschte Verringerung der Durchlaßspannung des Thyristors durch eine größere Menge von in den Emitterschichten des Thyristors dotierten Fremdstoffen ist daher begrenzt.
Beim eingangs genannten bekannten Thyristor (DE-OS 1614440) ist die Fremdstoffmenge pro Flächeneinheit in der ersten Emitterschicht kleiner als in der zweiten Emitterschicht und beträgt 1,5 · 1015 Atome/cm2. Dieser bekannte Thyristor hat aber eine relativ hohe Durchlaßspannung (vgl. auch unten die Erläuterungen zu Fig. 2).
Bei einem anderen bekannten Thyristor (US-PS 3487276) beträgt die Fremdstoff menge pro Flächeneinheit etwa 1014 Atome/cm2. Dieser Thyristor hat zwar eine gegenüber dem anderen bekannten Thyristor (DE-OS 1614440) geringere Durchlaßspannung. Dafür ist aber die Reproduzierbarkeit seiner Kennlinien unbefriedigend.
Es ist schließlich auch bekannt (»Scientia Electrica«, Bd. 15 (1969), Fase. 1, Seiten 1—17), daß bei einem Thyristor mit hohem Injektionsvermögen beider Emitterschichten die Ladungsträgerkonzentration in den Basisschichten hoch und damit die Durchlaßspannung niedrig wird, wenn die Basisweite kleiner als die 2- bis 4fache Ladungsträger-Diffusionslänge ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Thyristor mit verbesserter Reproduzierbarkeit der Thyristorkennlinien artzugeben, bei dem die Spannung an den PN-Übergängen ohne merkliche Zunahme des Spannungsabfalls in der P-leitenden und der N-leitenden Basisschicht verkleinert ist, um so eine niedrigere Durchlaßspannung als bisher zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei der Erfindung ist also die Fremdstoff menge pro Flächeneinheit in der ersten Emitterschicht um etwa eine Größenordnung kleiner als bei den bekannten Thyristoren. Dadurch kann bei guter Reproduzierbarkeit der Thyristorkennlinien eine niedrigere Durchlaßspannung als mit bisher üblichen Thyristoren erzielt werden.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 1 und 2 erläutert, inwiefern und in welchem Ausmaß die Durchlaßspannung eines Thyristors durch Herabsetzung der Fremdstoffmenge pro Flächeneinheit verringert werden kann. Ferner werden anhand der Fig. 3 bis 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Verteilung der Ladungsträger in einem Thyristor mit PNPN-Struktur im Durchlaßzustand,
Fig. 2 die Beziehung zwischen der Fremdstoffmenge/Flächeneinheit einer der Emitterschichten und dem Vorwärts-Spannungsabfall beim Thyristor der Fig. 1 mit der Gesamtdicke der Basisschichten als Parameter,
Fig. 3 einen Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thyristors,
Fig. 4 einen Schnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thyristors, und
Fig. 5 einen Schnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thyristors.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Ladungsträgerverteilung in einem Thyristor mit PNPN-Struktur im Durchlaßzustand mit Löchern A bzw. Elektronen e.
Die Konzentrationen der Majoritätsladungsträger in der P-leitenden Emitterschicht PE und in der N-leitenden Emitterschicht NE sind jeweils ungefähr gleich den Konzentrationen der Fremdstoffe in diesen Schichten PE und NE. In der N-leitenden Basisschicht NB und in der P-leitenden Basisschicht t*B, in die die Ladungsträger von den entgegengesetzten Emitterschichten PE und NE injiziert werden, ist die Ladungsträgerkonzentration höher als die Fremdstoffkonzentration in jeder Schicht, und die Elektronenkonzentration ist gleich der Löcherkonzentration entsprechend der Bedingung der Ladungsneutralität.
Die Menge Q an Fremdstoffen je Flächeneinheit der P-leitenden Emitterschicht PE ist gegeben durch das Produkt aus der Fremdstoffkonzentration N1 und der Dicke W1 der P-leitenden Emitterschicht PE. Im folgenden wird anhand der Fig. 1 die Ursache erläutert, warum die Durchlaßspannung der Thyristorstruktur verringert werden kann, wenn die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der P-leitenden Emitterschicht PE herabgesetzt wird. Einer Verringerung der Fremdstoffkonzentration Nx der P-leitenden Emitterschicht PE folgt eine entsprechende Verringerung der Löcherkonzentration in dieser Schicht PE, was zu einer entsprechenden Verringerung der in die Basisschichten injizierten Ladungsträgermenge führt. Auf diese Weise ändert sich (vgl. Fig. la) die Verteilung der Ladungsträger im Thyristor von der durch die Vollinie dargestellten in die durch die Strichlinie gezeigte. Diese Änderung in der Ladungsträgerverteilung führt zu einer entsprechenden Verringerung der Spannung am PN-Übergang J1 zwischen der P-Ieitenden Emitterschicht PE und der N-ieitenden Basisschicht Ng.
Die Fig. Ib zeigt einen Fall, bei dem eine Fläche F1 des Halbleitersubstrats nach F2 verschoben oder versetzt ist, um die Dicke Wx der P-leitenden Emitterschicht PE zu verringern. Es tritt keine Änderung im Gradienten der Minoritätsladungsträgerkonzentration in der P-leitenden Emitterschicht PE auf, wenn sich nicht die Stromdichte ändert. Daher folgt der Abnahme in der Dicke Wx der P-leitenden Emitterschicht PE eine entsprechende Verringerung der Elektronenkonzentration im Bereich der P-leitenden Emitterschicht PE neben dem PN-ÜPbergang J1, was zu einer entsprechenden Verringerung der in die Basisschichten injizierten Ladungsträger führt. Daher ändert sich die Verteilung der Ladungsträger im Thyristor von der in Fig. Ib durch die Vollinie gezeigten in die durch die Strichlinie dargestellte. Aus diesem Grund wird die Spannung am PN-Übergang J1 verringert.
Daraus kann gefolgert werden, daß die Spannung am PN-Übergang J1 verringert werden kann, wenn die Fremdstoffkonzentration N1 oder die Dicke W1 der P-leitenden Emitterschicht PE herabgesetzt wird. Da die Menge Q an FremdstoffeivFIächeneinheit der P-leitenden Emitterschicht PE gegeben ist durch das Produkt aus der Fremdstoff konzentration N1 und der Dicke Wx dieser Schicht PE, kann die Spannung am PN-Übergang J1 verringert werden, wenn die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der P-leitenden Emitterschicht PE herabgesetzt wird. Andererseits führt die Abnahme im Wert von Q zu einer entsprechenden Verringerung in der Menge der in die Basisschichten injizierten Ladungsträger, und es tritt in den Basisschichten ein größerer Spannungsabfall auf. Jedoch führt diese Abnahme in der Menge der von der P-leitenden Emitterschicht PE injizierten Ladungsträger nicht zu einem merklich großen Spannungsabfall in den Basisschichten, da ausreichend Ladungsträger von der N-leitenden Emitterschicht NE injiziert werden, wenn die Fremdstoff menge/Flächeneinheit der N-leitenden Emitterschicht NE so groß wie bei herkömmlichen Thyristoren dieser Art gewählt wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Grad der Verringerung in der Spannung am Übergang aufgrund der Abnahme im Wert von Q größer ist, als der Grad der Zunahme im Spannungsabfall in den Basisschichten, wenn deren Gesamtdicke kleiner als ein bestimmter Grenzwert gewählt wird, und als Ergebnis hiervon kann die Durchlaßspannung des Thyristors verringert werden. Weiterhin hängt in diesem Fall die Durchlaßspannung nicht von der Fremdstoffmenge/Flächeneinheit der N-leitenden Emitterschicht NE ab, sofern diese Menge ausreichend groß ist. Eine derartige bemerkenswerte Wirkung kann erzielt werden, da die P-Ieitende Emitterschicht PE einen kleinen Ladungsträger-Injektions-Wirkungsgrad aufweist, während die N-leitende Emitterschicht NE mit Fremdstoffen in ausreichend großer Menge/Flächeneinheit einen hohen Ladungsträger-Injektions-Wirkungsgrad aufweist, und die Menge der injizierten Ladungsträger wird durch den Ladungsträger-Injektions-Wirkungsgrad der P-leitenden Emitterschicht PE gesteuert.
Während sich die obige Beschreibung auf den Fall einer verringerten Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der P-leitenden Emitterschicht PE bezieht, ist offensichtlich, daß die Wirkung im entgegengesetzten Fall vollständig gleich ist, bei dem die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der N-Ieitenden Emitterschicht NE verringert ist.
Von den Erfindern bei der Konzeption der Erfindung durchgeführte Versuche zeigen, daß eine Beziehung (vgl. Fig. 2) zwischen der Mengo Q (Atome/ cm2) an Fremdstoffen/Flächeneinheit der Emitterschicht PE und der Durchlaßspannung VF (V) besteht, wenn die Summe der Dicken (μηι) der P-Ieitenden und der N-leitenden Basisschicht PB bzw. NB als Parameter genommen wird. Aus der Fig. 2 folgt, daß die Durchlaßspannung VF ab einem bestimmten Wert der Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der Emitterschicht abzunehmen beginnt, wenn der Wert von Q verringert wird und die Summe der Dicken der beiden Basisschichten höchstens 400 μΐη beträgt, und daß die Durchlaßspannung VF ab Q = 2 · 1013 Atome/cm2 trotz einer weiteren Abnahme im Wert von Q ungefähr konstant bleibt.
Wenn nämlich der Wert von Q kleiner als 2 · 1013 Atome/cm2 ist, heben das Ausmaß oder der Grad der
Verringerung der Spannung am Übergang und das Ausmaß oder der Grad der Zunahme des Spannungsabfalls in den Basisschichten einander auf, und die Durchlaßspannung des Thyristors hängt nicht wesentlich vom Wert von Q ab. Bei einem Thyristor, der so hergestellt ist, daß der Wert von Q kleiner als 2 · 10' Atome/cm2 ist, wird die Durchlaßspannung des Thyristors nicht wesentlich durch kleine Änderungen im Wert von Q beeinflußt, die bei der Herstellung auftreten können, und es können die gewünschten Thyristor-Kennlinien mit verbesserter Reproduzierbarkeit erzielt werden.
Ein Thyristor mit einem zu kleinen Wert von Q ist unzweckmäßig, da der Ladungsträger-Injektions-Wirkungsgrad der Emitterschicht extrem verkleinert ist, weshalb kein Stromverstärkungsfaktor erzielt werden kann, der zum Umschalten des Thyristors in den Durchlaßzustand erforderlich ist. In einem derartigen Fall wird der Thyristor nicht eingeschaltet und arbeitet nicht als Schalter. Es ist daher erforderlich, den Minimalwert von Q im Bereich des gewünschten Thyristorbetriebs festzulegen. Obwohl dieser Minimalwert von Q vom Schichtwiderstand der an die Emitterschicht angrenzenden Basisschicht abhängt, beträgt der optimale Minimalwert von Q der P-leitenden Emitterschicht 6 · 109 Atome/cm2 und 2 ■ 10'" Atome/cm2, wenn die Fremdstoffkonzentration der N-Ieitenden Basisschicht 1,3 · 1014 Atome/cm3 bzw. 5· 1014 Atome/cm3 ist.
Zahlreiche Verfahren können verwendet werden, um die Emitterschicht mit einer kleinen Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit herzustellen. Diese Verfahren sind:
1. Diffusion aus der Gas- bzw. Dampfphase,
2. Auftragen einer Oxidschicht mit einem Fremdstoff auf einem Halbleitersubstrat und Diffusion des Fremdstoffes aus der Oxidschicht in das Halbleitersubstrat,
3. Auftragen einer polykristallinen Halbleiterschicht mit einem Fremdstoff auf einem Halblei- w tersubstrat und Diffusion des Fremdstoffes aus der polykristallinen Halbleiterschicht in das Halbleitersubstrat, und
4. Ionenimplantation.
Unter diesen Verfahren sind die Diffusion des -r, Fremdstoffes mittels der polykristallinen Halbleiterschicht und die Ionenimplantation besonders vorteilhaft, um die Emitterschicht mit einer kleinen Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit entsprechend dem derzeitigen Stand der Halbleitertechnik -,o herzustellen. Das die polykristalline Halbleiterschicht verwendende Verfahren ist besonders für einen Einsatz der Erfindung in der Massenproduktion geeignet, da die Elektroden leicht aufgetragen werden können.
Bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemäßen Thyristors werden im folgenden anhand der Fig. 3 bis 5 näher erläutert.
Die Fig. 3 ist ein schematischer Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thyristors. In der Fig. 3 hat der Thyristor ein Vierschicht- t>o Halbleitersubstrat 1 einer PNPN-Struktur aus einer N-leitenden Emitterschicht NE, aus einer P-leitenden Basisschicht PB, aus einer N-leitenden Basisschicht NB und aus einer P-leitenden Emitterschicht PE, eine Kathode 2 in ohmschem Kontakt mit der N-leitenden b5 Emitterschicht NE, eine Anode 3 in ohmschem Kontakt mit der P-leitenden Emitterschicht PE über eine polykristalline Halbleiterschicht 4 und eine Steuerelektrode 5 in ohmschem Kontakt mit der P-leitenden Basisschicht PB.
Der Thyristor mit diesem Aufbau wird auf die folgende Weise hergestellt. Das Ausgangsmaterial ist ein monokristallines Substrat eines N-leitenden Siliziums, das durch das Schwebezonenverfahren bzw. durch Zonenschmelzen abgeschieden wurde und einen spezifischen Widerstand von ungefähr 40 Qcm aufweist und 240 μπι dick ist. Dieses Siliziumsubstrat wird in ein abgeschlossenes Quarzrohr zusammen mit einem P-leitenden Dotierstoff, wie z. B. Gallium, gebracht und für ungefähr 2 h bei 1150° C einer Wärmebehandlung unterworfen, um dünne P-leitende Schichten hoher Fremdstoffkonzentration in den entgegengesetzten Flächen des N-leitenden Siliziumsubstrats zu erzeugen. Nach Herausnahme des Siliziumsubstrats aus dem Quarzrohr wird die P-leitende Schicht in einer der Flächen des N-leitenden Siliziumsubstrats durch ein beliebiges geeignetes herkömmliches Verfahren entfernt, wie z. B. durch Ätzen, und dann wird eine P-Ieitende Basisschicht PB erzeugt, indem während ungefähr 20 h bei 1250° C Fremdstoff gesteuert eindiffundiert wird, wobei die zurückbleibende P-leitende Schicht als Fremdstoffquelle dient.
Der während der gesteuerten Fremdstoff-Eindiffusion gebildete Siliziumoxidfilm wird teilweise mittels des herkömmlichen Fotoätzens (Fotolack- und -ätztechnik) entfernt, und ein Material, wie z. B. POCl3, das als Quelle eines N-leitenden Dotierstoffes wirkt, wie z. B. Phosphor, wird für ungefähr 30 min auf 1100° C erwärmt, um Phosphor auf den freiliegenden Bereich der P-leitenden Basisschicht PB aufzutragen. Das damit erzeugte Phosphorsilikatglas wird durch Ätzen mit Flußsäure (Fluorwasserstoff, Flußwasserstoffsäure) entfernt, und dann wird Fremdstoff während ungefähr 7 h bei 1200° C gesteuert eindiffundiert, um eine N-Ieitende Emitterschicht NE herzustellen, in der die Menge Q an Fremdstoff/Flächeneinheit 6,8 · 1O16 Atome/cm2 beträgt.
Dieses Siliziumsubstrat wird dann erneut zusammen mit Gallium in ein abgeschlossenes Quarzrohr gebracht, um die Oberflächen-Fremdstoffkonzentration der P-leitenden Basisschicht PB zu erhöhen. Die damit in der anderen Fläche des Siliziumsubstrats entgegengesetzt zur Fläche mit der N-leitenden Emitterschicht NE erzeugte dünne P-leitende Schicht wird dann durch Ätzen entfernt, um eine NPN-Struktur zu erzeugen. In der so erhaltenen NPN-Struktur sind die N-leitende Emitterschicht NE, die P-leitende Basisschicht P8 und die N-leitende Basisschicht NB 15 μπι bzw. 30 μπι bzw. 170 μπι dick.
Eine polykristalline Siliziumschicht 4 mit Bor als P-Ieitender Dotierstoff wächst dann epitaktisch aus der Gasphase auf der anderen Fläche des Siliziumsubstrats gegenüber zur Fläche mit der N-leitenden Emitterschicht NE auf. Als Quelle für polykristallines Silizium dient Trichlorsilan und als Quelle für Bor Diboran. Das epitaktische Aufwachsen erfolgt während ungefähr 25 min bei 950 ° C in einer Wasserstoff atmosphäre, um ein epitaktisches Wachsen der polykristallinen Siliziumschicht 4 mit einer Dicke von 26 um zu erzielen. Bei diesem Verfahrensschritt diffundiert Bor in die monokristalline Siliziumschicht aus der polykristallinen Siliziumschicht 4, um eine P-leitende Emitterschicht PE zu erzeugen. Die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit dieser P-leitenden Emitterschicht PE beträgt 2,6 · 1012 Atome/cm2. Schließlich werden die Kathode 2, die Anode 3 und
eine Steuerelektrode 5 aufgetragen, um den in Fig. 3 dargestellten Thyristor fertigzustellen.
Die Vorwärts-Sperrspannung und die Rückwärts-Sperrspannungdes Thyristors gemäß Fig. 3 betragen jeweils 1050 V und 1100 V, und die Durchlaßspannung bei einer Stromdichte von 100 A/cm2 beträgt 0,92 V. Es wurde ein herkömmlicher Thyristor hergestellt, um die elektrischen Eigenschaften des Thyristors gemäß Fig. 3 mit denjenigen des herkömmlichen Thyristors zu vergleichen. Bei diesem herkömmlichen i<: Thyristor wurde die polykristalline Siliziumschicht in Fig. 3 weggelassen, und die P-Ieitende Emitterschicht PE hatte eine Dicke von 45 μΐη und eine mittlere Fremdstoffkonzentration von 2 ■ 1018 Atomen/cm3. Die Vorwärts-Sperrspannung und die Rückwärts- π Sperrspannung dieses herkömmlichen Thyristors betragen jeweils 1000 V und 1100 V, und die Durchlaßspannung bei einer Stromdichte von 100 A/cm2 beträgt 1,09 V.
Daraus folgt, daß die Durchlaßspannung des in -ti Fig. 3 dargestellten Thyristors verglichen mit dem herkömmlichen Thyristor um 15,6% verringert werden kann. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Vorwärts-Sperrspannung zusätzlich zur Verringerung der Durchlaßspannung verbessert r> werden. Dies beruht darauf, daß beim Thyristor gemäß Fig. 3 der Ladungsträger-Injektions-Wirkungsgrad der P-leitenden Emitterschicht PE herabgesetzt und der Stromverstärkungsfaktor des PNP-Transistorteiles aufgrund der kleineren Menge an Fremdstof- «> fen/Flächeneinheit der P-leitenden Emitterschicht PE als beim herkömmlichen Thyristor verkleinert ist, was dazu führt, daß eine höhere Vorwärtsspannung erforderlich ist, um die Einschaltbedingung des Thyristors zu erfüllen. r>
Beim Thyristor nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird die P-leitende Emitterschicht PE durch Diffusion eines Fremdstoffes aus der polykristallinen Siliziumschicht in der oben erläuterten Weise gebildet. (Anstelle der P-Ieitenden Emitterschicht PE kann die 4c N-leitende Emitterschicht NE auf ähnliche Weise hergestellt werden.) Der erfindungsgemäße Thyristor mit einer derartigen P-Ieitenden Emitterschicht PE hat die folgenden Vorteile:
1. Die P-leitende Emitterschicht PE mit der kleinen 4 Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit kann mit guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Mit anderen Worten, die Fremdstoffkonzentration der P-leitenden Emitterschicht PE wird durch die Fremdstoffkonzentration der polykristallinen Silizium- so schicht bestimmt, und die Fremdstoffkonzentration der polykristallinen Siliziumschicht wird durch die Fremdstoffkonzentration des Gases bestimmt, das zur Dotierung während des epitaxialen Wachsens der polykristallinen Siliziumschicht verwendet wird. Die po- vs lykristalline Siliziumschicht jeder gewünschten Fremdstoffkonzentration kann so mit guter Reproduzierbarkeit erhalten werden, indem die Fremdstoffkonzentration des zur Dotierung verwendeten Gases gesteuert wird. Daher kann die P-leitende Emitter- eo schicht PE im Vergleich mit den Diffusions- oder Legierungsverfahren einfach hergestellt werden.
2. Die Elektrode oder Anode 3 kann leicht in ohmschen Kontakt mit der P-leitenden Emitterschicht PE gebracht werden. Ein ausreichender ohmscher Kon- bs takt ist schwierig herzustellen, wenn eine Schicht in Kontakt mit einer Elektrode mit geringer Fremdstoffkonzentration gebracht werden soll. Jedoch wird beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die Elektrode auf die polykristalline Siliziumschicht aufgetragen, die einen ausreichenden ohmschen Kontakt zwischen der P-leitenden Emitterschicht PE und dem Elektrodenmetall erlaubt. Daher kann ein ausreichender ohmscher Kontakt zwischen der P-leitenden Emitterschicht PE und der Elektrode hergestellt werden, obwohl die Fremdstoffkonzentration der P-leitenden Emitterschicht beträchtlich niedrig ist. Das Elektrodenmetall enthält im wesentlichen Chrom, Molybdän oder Wolfram.
Die Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thyristors, der mittels der herkömmlichen Ionenimplantation hergestellt ist.
In der Fig. 4 ist das Ausgangsmaterial ein monokristallines Substrat aus N-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 50 Ωαη und einer Dicke von 215 μίτι. Ein P-leitender Dotierstoff, wie z. B. Bor, wird in eine der Flächen des Siliziumsubstrats diffundiert, um eine P-leitende Basisschicht PB und einen PN-Übergang J2 herzustellen. Ein N-Ieitender Dotierstoff, wie z. B. Phosphor, wird dann wahlweise in die P-leitende Basisschicht PB auf herkömmliche Weise diffundiert, um eine N-leitende Emitterschicht NE und einen weiteren PN-Übergang J3 herzustellen. Die N-leitende Basisschicht NB, die P-leitende Basisschicht PB und die N-leitende Emitterschicht NE sind jeweils 170 μπι bzw. 30 μπι bzw. 15 μιτι dick.
Bor in Ionenform wird dann in die andere Fläche des Siliziumsubstrats implantiert, um eine P-leitende Emitterschicht PE und einen anderen PN-Übergang J1 herzustellen. Diese P-leitende Emitterschicht P^ hat z. B. eine Fremdstoffkonzentration von 3-10" Atomen/cm3 und ist 0,2 μπι dick. Die Fremdstoffkonzentration dieser P-leitenden Emitterschicht PE und die Tiefe des PN-Überganges J1 können geeignet gesteuert werden, indem die Menge der implantierten Borionen und die Implantationsenergie geändert werden. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 beträgt die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der P-Ieitenden Emitterschicht PE 6 · 1012 Atome/cm2, und die Durchlaßspannung einer Stromdichte von 100 A/cm2 hat einen Wert von 0,92 V.
Der in Fig. 4 dargestellte Thyristor unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 3 in der Art der Herstellung der P-Ieitenden Emitterschicht PE, bei der die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit beträchtlich niedriger ist als bisher. Dies bedeutet, die P-leitende Emitterschicht PE in Fig. 4 wird mittels Ionenimplantation hergestellt, während sie in Fig. 3 durch Fremdstoffdiffusion aus der polykristallinen Schicht 4 erzeugt wird. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist gegenüber der Fig. 3 insoweit vorteilhaft, als die gewünschte Dicke und die Fremdstoffkonzentration der P-leitenden Emitterschicht PE mit guter Reproduzierbarkeit erhalten werden können, und die Schicht PE eines gewünschten Musters oder einer Vorlage kann sehr genau hergestellt werden.
Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Thyristorstrukturen sind gegenüber herkömmlichen Thyristoren vorteilhaft, da der PNP-Transistorteil einen niedrigen Stromverstärkungsfaktor aufweist und die kritische Steilheit für die anliegende Vorwärtsspannung (dv/dt) verbessert ist, und da die Verringerung der Menge der in die N-leitende Basisschicht NB injizierten Ladungsträger zu einer kurzen Ausschaltzeit
führt, was darauf beruht, daß die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der P-leitenden Emitterschicht PE beträchtlich kleiner als bisher ist.
Die Fig. 5 zeigt einen schematischen Schnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thyristors, bei dem die Menge an Freindstoffen/ Flächeneinheit der N-leitenden Emitterschicht anstelle der P-leitenden Emitterschicht verkleinert ist.
In der Fig. 5 ist das Ausgangsmaterial ein monokristallines Substrat aus N-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 40 Qcm und einer Dicke von 230 μπι. Ein P-leitender Dotierstoff, wie z. B. Bor, wird in die gegenüberliegenden Flächen des Siliziumsubstrats diffundiert, um eine PNP-Struktur herzustellen, und dann wird Bor hoher Konzentration in eine der Substratflächen diffundiert. Auf diese Weise werden eine P-leitende Emitterschicht PE, eine N-leitende Basisschicht NB und eine P-leitende Basisschicht PB hergestellt, die 30 μιτι bzw. 170 μιτι bzw. 30 μπι dick sind. Ein N-leitender Dotierstoff, wie z. B. Phosphor in Ionenform, wird dann in die andere Substratfläche implantiert, um eine N-leitende Emitterschicht NE herzustellen. In diesem Fall kann eine Fremdstoffdiffusion aus einer polykristallinen Siliziumschicht verwendet werden, um diese N-leitende Emitterschicht NE zu erzeugen. Die Herstellung der N-leitenden Emitterschicht NE durch Fremdstoffdiffusion wird erzielt, indem ein Oxidfilm auf der Substratfläche mit Ausnahme des die N-leitende Emitterzone erzeugenden Bereiches hergestellt wird, indem dann eine polykristalline Siliziumschicht auf der Substratfläche aufgetragen wird, und indem schließlich der nicht erforderliche Teil der polykristallinen Siliziumschicht auf herkömmliche Weise, wie z. B. durch Ätzen, entfernt wird.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 stellt Q die Menge an Fremdstoffen/Flächeneinheit der N-leitenden Emitterschicht NE dar. Wenn die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der N-leitenden Emitterschicht NE auf 3,6 · 1012 Atome/cm2 eingestellt wird, beträgt die Durchlaßspannung bei einer Stromdichte von 100 A/cm2 0,97 V. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5, bei dem die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der N-Ieitenden Emitterschicht NE im Vergleich mit herkömmlichen Werten kleiner ist, ist die Durchlaßspannung etwas größer als bei den • Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 4, bei denen die Menge Q an Fremdstoffen/Flächeneinheit der P-leitenden Emitterschicht PE gegenüber dem herkömmlichen Wert herabgesetzt ist. Jedoch ist der Bereich des Wertes von Q, in dem die Verringerung der
ι» Durchlaßspannung erzielt wird, in beiden Fällen gleich, d. h., in dem Fall, in dem die Menge an Fremdstoffen/Flächeneinheit der P-leitenden Emitterschicht PE verringert ist, und in dem Fall, in dem die Menge an Fremdstoffen/Flächeneinheit der N-leitenden
r> Emitterschicht NE verringert ist.
Obwohl die P-leitende Basisschicht bei den obigen Ausführungsbeispielen mittels Fremdstoffdiffusion hergestellt wurde, ist es offensichtlich, daß diese auch durch epitaktisches Aufwachsen erzeugt werden kann.
■?» Auch in diesem Fall werden die Vorteile der Erfindung erreicht. Das epitaktische Aufwachsen der P-leitenden Basisschicht ist vorteilhaft, da die Thyristoreigenschaften einschließlich der Durchlaßspannung und der Steuerempfindlichkeit in gewünschter Weise ge- > steuert werden können, da die Dicke und die Fremdstoffkonzentration der P-leitenden Basisschicht sehr genau oder mit hoher Ausbeute eingestellt werden können.
Obwohl bei den obigen Ausführungsbeispielen ein
i" Thyristor mit einem Substrat aus N-leitendem Silizium erläutert wurde, ist es offensichtlich, daß dieselben Vorteile auch zu erzielen sind, wenn ein Substrat aus P-leitendem Silizium benutzt wird und die Beziehung zwischen den P-leitenden Schichten und den N-Ieiten-
r> den Schichten bei den obigen Ausführungsbeispielen umgekehrt werden. Weiterhin werden die mit der Erfindung zu erzielenden Vorteile in keiner Weise durch die Form der Steueranschluß-Ansteuereinrichtung beeinflußt. Daher kann der Steueranschluß angesteu-
-K) ert werden, indem anstelle der Einspeisung des elektrischen Signals in den Steueranschluß ein optisches Signal, ein mechanisches Signal oder ein elektromagnetisches Signal angelegt wird.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Thyristor aus einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, wobei die beiden Basisschichten einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen als die beiden Emitterschichten, wobei je eine Hauptelektrode mit der ersten und zweiten Emitterschicht verbunden ist, wobei die Summe der Dicken der beiden Basisschichten kleiner als 400 μπι ist, und wobei die Fremdstoffmenge pro Flächeneinheit in der ersten Emitterschicht kleiner ist als in der zweiten Emitterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoffmenge pro Flächeneinheit in der ersten Emitterschicht (PE, NE) kleiner als 2 ■ 1013 Atome/an2, jedoch größer als der zum Thyristorbetrieb erforderliche Mindestwert ist (Fig. 3—5).
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der ersten Emitterschicht (PE) eine polykristalline, mit einem Fremdstoff dotierte Halbleiterschicht (4) vorgesehen ist, wobei der Fremdstoff den Leitungstyp bewirkt, den die erste Emitterschicht (PE) aufweist und daß die erste Emitterschicht (PE) durch Diffusion des Fremdstoffes aus der polykristallinen Halbleiterschicht (4) erzeugt ist (Fig. 3).
3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Emitterschicht (P£) P-leitend ist (Fig. 3, 4).
4. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Emitterschicht (NE) N-Ieitend ist (Fig. 5).
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