DE2715206A1

DE2715206A1 - Halbleiterstruktur mit einem thyristor und dazu antiparallel geschalteter diode sowie verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2715206A1
Application number: DE19772715206
Authority: DE
Inventors: Rene Barandon; Serge Lehmann
Original assignee: Alsthom Atlantique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1976-04-08
Filing date: 1977-04-05
Publication date: 1977-10-20
Also published as: NL7703747A; IT1084467B; BE852825A; CH600574A5; FR2347781A1; FR2347781B1; GB1515260A

Description

HALBLEITERSTRUKTUR MIT EINEM THYRISTOR UND DAZU ANTIPARALLEL GESCHALTETER DIODE SOWIE VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterstruktur, die einen Thyristor und eine dazu antiparallel geschaltete Diode aufweist. Eine derartige Struktur ist mit zwei Hauptklemmen versehen, von denen eine gleichzeitig die Kathode des Thyristors und die Anode der Diode bildet und die andere die Anode des Thyristors und die Kathode der Diode, sowie mit einer Zündelektrode, über die der Thyristor gezündet werden kann, wenn er in seiner direkten Richtung polarisiert ist, die auch für die integrierte Struktur die direkte Richtung ist.

Derartige Halbleiterstrukturen können in vielen Leistungsschaltkreisen wie beispielsweise Zerhackern oder Stromwandlern verwendet werden. Die Kombination eines Thyristors mit einer Diode ermöglicht zum einen die Unterdrückung störender Blindwiderstände und zum anderen die Vereinfachung der Schaltung durch Entfallen eines Gehäuses und einer Kühlvorrichtung.

Vorrichtungen dieser Bauart, die "schnell" genannt werden, d.h. die Löschzeiten von weniger als vierzig Mikrosekunden aufweisen, können in herkömmlicher Bauweise im gesperrten Zustand Gleichspannungen von lOOO V aushalten. Es ist wünschenswert, diese Spannung zu erhöhen und gleichzeitig die Schaltcharakteristiken der herkömmlichen Bauteile zu bewahren.

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Hierzu kann der spezifische Widerstand und in Verbindung damit die Stärke der Sperrschicht, die dem Thyristor und der Diode gemeinsam ist und deren besonders geringe Dotierung auf bekannte Weise die vom Thyristor im gesperrten Zustand ertragene direkte Spannung bedingt, vergrößert werden. Jedoch führt diese Maßnahme leider zu einer störenden Erhöhung des Spannungsabfalls im Thyristor im leitenden Zustand.

Die Erfindung zielt auf die Herstellung eines Thyristors mit antiparallelgeschalteter Diode ab, der im gesperrten Zustand höhere direkte Spannungen ertragen kann, beispielsweise etwa 2OOO V, und dabei gleichzeitig einen geringen elektrischen Widerstand im leitenden Zustand aufweist.

Dieses Ziel wird durch die Halbleiterstruktur gemäß Hauptanspruch erreicht.

An Hand der beiliegenden siebzehn schematische Figuren wird nachfolgend eine Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Teilan3icht von oben, d.h. von der Kathodenseite des Thyristors, einer erfindungsgemäßen Struktur, die die Form einer Scheibe aufweist.

Fig. 2 stellt einen axialen Halbschnitt durch die Struktur nach Fig. 1 dar.

Fig. 3 zeigt eine Teilan3icht von unten, d.h. von der Anodenseite derselben Struktur.

Die Figuren 4 bis 17 zeigen axiale Schnitte derselben Struktur in aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten.

In verschiedenen Figuren auftretende gleichartige Bauteile werden mit denselben Bezugszeichen versehen.

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Die Struktur gemäß den Figuren 1, 2 und 3 umfaßt vier konzentrische Zonen, und zwar von der Achse zur Peripherie hin gesehen

- eine Thyristorzündzone 2 mit einem Durchmesser von 7,1 mm, mit der der Thyristor bei direkter Polarisierung gezündet werden kann;

- eine Thyristorbetriebszone 4 mit einem äußeren Durchmesser von 20,65 mm, durch die der Strom in direkter Richtung fließt, wenn der Thyristor gezündet ist, wobei die Wörter "direkt" und "umgekehrt" hier die direkte und die Umkehrrichtung des Thyristors und nicht der Diode bedeuten»

- eine Isolierzone 6 mit einem äußeren Durchmesser von 22,65 mm, der den Thyristor von der Diode trennt, damit eine bekanntlich mögliche fehlerhafte Auslösung des Thyristors bei raschem Anwachsen der Spannung in direkter Richtung nach unmittelbar vorhergehendem Anliegen der Spannung in umgekehrter Richtung, wodurch die Diode leitend wird, vermieden wird;

- eine Diodenzone 8 mit einem äußeren Durchmesser von 31,75 mm, durch die der Strom fließt, wenn der Thyristor in Sperrichtung polarisiert ist.

Die Halbleiterscheibe besteht aus Silizium und umfaßt die folgenden aufeinanderliegenden Schichten von der Anode zur Kathode des Thyristors hin gesehen, d.h. von unten nach oben in der Fig. 2 :

- In den beiden Thyristorzonen 2, 4 und in der Isolierzone 6 eine Thyristorinjektionsschicht 10 mit starker Dotierung des Typs P (10 Boratome pro Kubikzentimeter) mit einer Schichtstärke von 15 von 20 Mikron.

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- In der Diodenzone 8 eine Diodenkontaktschicht 12 mit starker Dotierung des Typs N (10 bis 10 Phosphoratome oder Arsenatome pro Kubikzentimeter) mit einer Stärke von 12 bis 15 Mikron.

- Über die gesamte Oberfläche der Scheibe hinweg eine Sperrschicht aus einer leitenden Unterschicht (mit dem Bezugszeichen in den Zonen 2, 4 und 6 und dem Bezugszeichen 140 in der Zone 8) des Typs N (vorzugsweise etwa 10 Phosphor- oder Arsenatome pro Kubikzentimeter), über der eine Widerstandsschicht 16, mit sehr schwacher Dotierung des Typs N (3 χ 10 bis 5 χ 10 Antimonatome pro Kubikzentimeter) liegt, deren Stärke 15Ο bis 2OO Mikron beträgt, beispielsweise 170 Mikron. Die leitende Unterschicht 14 ist in den Zonen 2, 4 und 6 15 bis 2O Mikron dick, und die Unterschicht 140 in der Diodenzone ist 23 bis 28 Mikron dick.

- Eine Thyristorsteuerschicht 18, die mit der Diodeninjektionsschicht 180 in Verbindung steht, wobei diese beiden Schichten zusammen die gesamte horizontale Querschnittsfläche der Scheibe bedecken, mit einer Dotierung des Typs P mit einer mittleren Konzentration von 10 Galliumatomen pro Kubikzentimeter und einer Stärke von 50 Mikron.

- In den beiden Thyristorzonen eine Emitterschicht mit starker Dotierung des Typs N (10 Phosphoratome pro Kubikzentimeter) und einer Stärke von 20 bis 25 Mikron. Diese Schicht bildet in der Zündzone einen Zündemitter 2O in Form einer Krone mit einem Innendurchmesser von 2,5 mm und einem Außendurchraesser von 4,6 mm und in der eigentlichen Thyristorbetriebszone einen Hauptemitter 22, der diese gesamte Zone einnimmt. Diese Emitterschicht ist mit zahlreichen kreisförmigen Löchern wie beispiels-

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weise 24 des Typs P in Verbindung mit der Schicht 18 versehen und spielt die klassische Rolle von Emitterkurzschlüssen. - In den Zwischenräumen zwischen der Emitterschicht, d.h. innerhalb des Zündemitters 20, zwischen dem Zündemitter und dem Hauptemitter 22 und in den Bereichen der Emitterkurzschlüsse 24 sowie in der Diodenzone ist eine Schicht 26 angeordnet, deren Stärke gleich der Stärke der Emitterschicht ist

18 und die vom Typ P mit starker Dotierung (2 χ 10 Galliumatome pro Kubikzentimeter) ist, so daß die Oberfläche der Scheibe mit der Thyristorsteuerschicht 18 und der Diodeninjektionsschicht 180 verbunden ist.

Die elektrischen Verbindungen der Scheibe mit den äußeren Schaltkreisen erfolgen über drei Metallschichten, die auf die Seiten dieser Scheibe aufgebracht sind, und zwar eine Anode 30, die mit der Thyristorinjektionsschicht 10 und mit der Diodenkontaktschicht 12 in Berührung steht, eine Zündelektrode 32, die mit der Schicht 26 innerhalb des Zündemitters 20, jedoch nicht mit dem Emitter selbst in Kontakt steht, und eine Kathode 34, die den Hauptemitter 22 und die Verbindungsschicht 26 in der Diodenzone 8 bedeckt.

Außerdem bedeckt eine Metallschicht 36 in Form eines kreisförmigen Rings die Verbindung zwischen dem Zündemitter 20 und der Schicht 26 auf dem Außenrand dieses Zündemitters.

Wird eine direkte Spannung angelegt, so wird die Kathode 34 im Verhältnis zur Anode 30 negativ polarisiert. Legt man nun an die Zündelektrode 32 einen im Verhältnis zur Kathode 34 positiven Impuls an, so wird der Thyristor gemäß

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einem bekannten Prozeß ausgelöst, der durch Zünden eines Zündthyristors beginnt, dessen Emitter aus dem Zündemitter 20 besteht und die in der Zündung des Hauptthyristors ihren Fortgang findet, dessen Emitter aus dem Hauptemitter 22 besteht. Wenn die Spannung umgekehrt wird, so löscht sich der Thyristor, und die Diodenzone 8 wird leitend.

Zwar erscheinen die hier angegebenen Dotierungskonzentrationen vorteilhaft, jedoch können sie entsprechend der vorgesehenen Verwendung des Thyristors geändert werden. Sie können vor allem vorteilhafterweise je nach vorgesehenem Einsatz des Thyristors mit 2 multipliziert oder durch 2 dividiert werden.

Da erfindungsgemäß die Sperrschicht aus zwei Unterschichten besteht, deren eine anodensaLtig sehr dünn ist und eine etwa 20 bis 30 mal höhere Dotierung als die andere Unterschicht aufweist, ist eine Erhöhung der vom Thyristor im gesperrten Zustand ertragenen Gleichspannung möglich; diese Spannung wird außerdem auch von der Diode ausgehalten, die dann umgekehrt polarisiert ist, wenn man sie unabhängig betrachtet, Ein derartiger Aufbau kann durch Epitaxie einer Schicht mit kontrollierter Dotierung (etwa 10 Atome/cm ) auf einem sehr schwach dotierten Substrat (etwa 3 bis 5 χ 10 Atome/cm ) erhalten werden. Nachfolgend wird eine Herstellungsmethode der erfindungsgemäßen Struktur beschrieben.

Man geht aus von einem Substrat lOO aus Silizium des Typs N mit einer Stärke von 330 Mikron und einer Dotierung von 3 χ lO bis 5 χ 10 Phosphoratomen pro Kubikzentimeter. Man stellt dann eine P-Schicht 102 mit 55 Mikron Stärke durch

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Diffusion von mit 0,7% Gallium legiertem Germanium her, um eine Oberflächenkonzentration von 4 oder 5 χ 10 Atomen pro Kubikzentimeter zu erhalten (Fig. 4).

Durch Polieren entfernt man den unteren Teil dieser Scheibe, um ihre Stärke auf 240 Mikron zu reduzieren (Fig. 5).

Durch Oxydation erzeugt man eine Siliziumoxydschicht Io4 von 5000 oder 6000 Ä Stärke (Fig. 6).

Diese Siliziumoxydschicht wird auf der unteren Seite der Scheibe entfernt, um hier eine epitaxiale Ablagerung 106 von 35 bis 40 Mikron Dicke herzustellen, die mit Arsen dotiert ist, um ihr einen spezifischen Widerstand von etwa 5 Ohm«Zentimeter zu verleihen (Fig. 7).

Es wird eine neue Siliziumoxydschicht 108 mit derselben Stärke, wie sie die Schicht 104 aufwies, geschaffen (Fig. 8) .

Auf der unteren Seite wird ein Fenster 110 (Fig. 9) begrenzt; dieses Fenster wird zur Herstellung der Thyristorinjektionsschicht lO durch Bordiffusion benutzt (das Fenster 110 wird während dieser Diffusion oxydiert ) (Fig. 10) .

Auf der Ober- und Unterseite der Scheibe werden Fenster 112 bzw. 114 in die Siliziumoxydschicht 108 eingearbeitet (Fig.11) Diese Fenster werden zur Herstellung der Emitterschicht 20, und der Diodenkontaktschicht 12 durch Arsen- oder Phosphordiffusion mit einer Oberflächenkonzentration von ungefähr lO

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bis 10 Atomen pro Kubikzentimeter verwendet (Fig. 12).

Man führt dann einen "Einfang"-Vorgang durch, indem Boroxyd auf der unteren Seite gebildet wird; dann führt nan nach vollständiger Desoxydierung eine Golddiffusion während

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einer Stunde bei 830 C durch. Der verbleibende Teil des Substrats 102 bildet dann die Schichten 18, 180 und 26 der Fig. 2, während der verbleibende Teil des Substrats lOO die einen Widerstand aufweisende Unterschicht 16, 160 bildet und der verbleibende Teil der Schicht 106 die leitende Unterschicht 14, 140 darstellt. Auf der oberen Seite wird eine Aluminiumschicht von 6 Mikron aufgebracht (Fig. 13), und man begrenzt sie, um die Kathoae 34, die Schicht 36 und die Zündelektrode 32 herzustellen (Fig. 14) .

Dann wird durch Legieren ein Wolframring 116 auf der Kathode 34 befestigt (Fig. 15).

Auf der Unterseite wird dann eine 13 ^u dicke Aluminiumschicht aufgebracht (Fig. 16), und diese wird zur Bildung der Anode 30 dann begrenzt (Fig. 17).

Anschließend werden die klassischen Arbeitsgänge wie Glühen, Sandblasen usw. durchgeführt, und dann wird die Scheibe in ein mit den geeigneten Anschlüssen versehenes Gehäuse eingebaut .

Die so hergestellte Halbleiterstruktur hat die folgenden Leistungsmerkmale :

I_Teff (Thyristor) : 300 A

I eff (Diode) : 300 A

VD (Spannung im gesperrten Zustand) : 2300 V

VDWM (Klassifikationsspannung) : 21OO V

VT (Spannungsabfall bei leitendem Thyristor) : 1,9 V VF (Spannungsabfall bei leitender Diode) s 2 V (diese beiden Spannungsabfälle entsprechen einer Stromdichte

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von J = 5A/mm )

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tpi (impuslöschzeit durch Schaltung des Schaltkreises) : 50 ,us Igt (Zündelektrodenstrom) : 80 mA

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Leerseite

Claims

Fo 10 268 D 2715206

'""1 April Wf

ALSTHOM-ATLANTIQUE S.A.

38, avenue Kleber
75784 PARIS CEDEX 16, Frankreich

PATENTANSPRÜCHE

ti— Halbleiterstruktur mit einem Thyristor und einer dazu antiparallel geschalteten Diode, bei der eine Halbleiterscheibe mit einer ersten und einer zweiten Seite mindestens eine Thyristorzone und eine Diodenzone aufweist, die sich jeweils über die gesamte Dicke dieser Scheibe erstrecken und jeweils einen Teil der Oberfläche dieser Scheibe einnehmen, wobei in der Thyristorzone in Richtung der Dicke dieser Scheibe von der ersten zur zweiten Seite hin

- eine Thyristorinjektionsschicht mit starker Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps,

- eine Thyristorsperrschicht mit schwacher Dotierung eines zweiten Leitfähigkeitstyps,

- eine Thyristorsteuerschicht mit starker Dotierung des ersten Typs,

- und eine Thyristoremitterschicht mit starker Dotierung des zweiten Typs angeordnet sind,

wobei in der Diodenzone von der ersten Seite zur zweiten Seite hin

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ORIGINAL INSPECTED

- eine Diodenkontaktschicht mit starker Dotierung des zweiten Typs,

- eine Diodensperrschicht mit schwacher Dotierung des zweiten Typs, die mit der Sperrschicht des Thyristors in Verbindung steht,

- eine Diodeninjektionsschicht mit starker Dotierung des ersten Typs, die mit der Thyristorsteuerschicht in Verbindung steht, angeordnet sind,

wobei eine erste Hauptelektrode auf der ersten Seite mit der Thyristorinjektionsschicht und der Diodenkontaktschicht in Kontakt steht, eine zweite Hauptelektrode auf der zweiten Seite mit der Thyristoremitterschicht und der Diodeninjektionsschicht in Kontakt steht, und eine Steuerelektrode mit dem von der Diodeninjektionsschicht entfernt liegenden Bereich der Thyristorsteuerschicht in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sperrschichten (14, 16, 140, 160) gemeinsam aus zwei in Richtung der Dicke der Scheibe aufeinanderfolgenden Unterschichten bestehen, die sich praktisch über die ganze Scheibe erstrecken, wobei eine dieser Unterschichten eine mit der Thyristorinjektionsschicht und mit der Diodenkontaktschicht in Kontakt stehende leitende Unterschicht (14, 140) und die andere Unterschicht (16,16O) eine in Kontakt mit der Thyristorsteuerschicht und mit der Diodeninjektionsschicht stehende Widerstandsschicht ist, und die leitende Unterschicht in der Thyristorzone um ein Drittel dünner ist als die Widerstandsschicht, und daß der mittlere Dotierungsgrad der leitenden Unterschicht mindestens gleich dem Zehnfachen der Dotierung der Widerstandssahicht ist.

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2 - Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der leitenden Unterschicht in der Thyristorzone (14) 15 bis 20 Mikron beträgt und in der Diodenzone (140) größer ist, wobei die Dotierungskon-

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zentration zwischen 5 χ 10 und 2 χ 10 Atomen pro Kubikzentimeter liegt, und die Dicke der Widerstandsunterschicht (16, 160) zwischen 150 und 200 Mikron liegt mit einer Dotierungskonzentration zwischen 3 bis 5 χ 10 Atomen pro Kubikzentimeter.

3 - Verfahren zur Herstellung einer Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschichten ausgehend von einem Substrat mit sehr geringer Dotierungskonzentration hergestellt werden, indem auf diesem Substrat epitaxial auf der Anodenseite des Thyristors eine stark dotierte Unterschicht desselben Typs aufgebracht wird.

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