DE2727405C2

DE2727405C2 - Feldgesteuerter Thyristor

Info

Publication number: DE2727405C2
Application number: DE2727405A
Authority: DE
Inventors: Douglas Eugene Houston; Surinder Ballston Lake N.Y. Krishna
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1977-06-18
Publication date: 1982-09-02
Also published as: DE2727405A1; FR2356278A1; FR2356278B1; SE7707188L; JPS538578A; JPS5643622B2; US4060821A; NL7706095A; GB1568586A; SE428406B

Description

Die Erfindung betrifft einen feldgesteuerten Thyristor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 16 14 844 ist ein feldgesteuerter Thyristor dieser Art bekannt, der gemäß den Fig. 4 und dieser Druckschrift einen Anoden- und einen Kathodenbereich, die jeweils auf gegenüberliegenden Hauptflächen eines Halbleitersubstrats eines ersten Leitungstyps angeordnet sind, sowie einen in das Halbleitersubstrat eingebetteten, hochdotierten Gitterbereich aufweist, der randseitig freiliegt und dort mit einer Elektrode kontaktiert ist. Bei einer anderen Ausführungsform gemäß Fig. 14 dieser Druckschrift, die zwar ebenfalls eingebettete Gitterteile, zur Erzielung eines anderen Betriebsverhaltens jedoch noch zusätzlich eine höhere Anzahl von Schichten aufweist, erfolg! die Kontaktierung der eingebetteten Gitterteile über randseitig in diejenige Hauptfläche, an der die Anodenschicht angeordnet ist, eingebrachte Gitterbereiche, die die gleiche Dotierungsdichte wie die eingebetteten Gitterteile aufweisen und diese randseitig berühren. Zwar ist bei den bekannten Ausführungsformen die Strombelastbarkeit relativ hoch, jedoch ist der erzielbare Durchlaßspannung/Gittersperrspannungs-Verstärkungsfaktor, d.h. das Verhältnis zwischen an Thyristor anliegender Durchlaßspannung und derjenigen Gittersperrspannung, bei der gerade kein Strom mehr durch den Thyristor fließt, nicht sehr groß. Darüber hinaus können in manchen Anwendungsfällen relativ große Verluste im durchgeschalteten Zustand, d. h. bei großem Stromtluß, auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen feldgesteuerten Thyristor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß bei großer Strombelastbarkeit hohe Durchlaßspannung/ Gittersperrspannungs-Verstärkungsfaktoren erzielbar sind und die im durchgeschalteten Zustand auftretenden Verluste sehr geringe Werte besitzen.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Erfindungsgemäß ist somit die Anzahl der oberfiächenbenachbarten und der eingebetteten Gitterteile

so gleich groß, so daß die Kontaktierung der eingebetteten Gitterteile über die gut leitfähigen oberfiächenbenachbarten Gitterteile mit äußerst geringem Widerstand und somit sehr verlustarm erfolgen kann. Weiterhin sind die erzielbaren Durchlaßspannung/Gittersperrspannungs-Verstärkungsfaktoren aufgrund der sich seitlich unter die in ihrer Gesamtheit die Kathodenschicht bildenden, einzelnen Kathodenbereiche erstreckenden Bereiche der eingebetteten Gitterteile und deren geringere Leitfähigkeit sehr groß, während die Strombelastbarkeit des Thyristors aufgrund der großen Gesamtoberfläche der einzelnen Kathodenbereiche sehr hoch ist. Darüber hinaus zeichnet sich der erfindungsgemäße Thyristor durch äußerst geringe Verluste im durchgeschalteten Zustand aus.

Vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Verwendungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des feldgesteuerten Thyristors mit Diodenstruktur und Fig.2, 3 und 4 Teilschnittansichten verschiedener

Fertigungsstufen bei der Herstellung des in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Ein in F i g. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel 10 des feldgesteuerten Thyristors weist ein Halbleitersubstrat 12 eines bestimmten Leitungstyps, zum Beispiel des N-Leitungstyps, auf, das vorzugsweise aus Silicium-Halbleitermaterial besteht. Das Halbleitersubstrat 12 besitzt zwei einander gegenüberliegende, zwei Oberflächen bildende Hauptflächen 14 und 16 (F i g. 2). An der Hauptfläche 16 ist ein Anodenbereich 18 des Leitungstyps P⁺ ausgebildet, der in bevorzugter Weise zur Änderung des Leitungstyps durch Eindiffundieren von Dotiermaterial in das Halbleitersubstrat 12 hergestellt ist. Alternativ können hierfür auch andere Verfahren wie zum Beispiel epitaxiales Aufwachsen, Zonenschmelzen mit Temperaturgradienten oder Ionen-Implantation

Anwendung finden.

An der Hauptfläche 14 des Halbleitersubstrats 12 ist ein Gitterbereich 20 für die Stromsteuerung vorhanden, der allgemein den P-Leitungstyp aufweist und beispielsweise nach einem der vorstehend genannten Verfahren hergestellt sein kann. Der Gitterbereich 20 weist eine Anzahl von einzelnen oberflächenbenachbarten Gitterteilen 20a des Leitungstyps P⁺ sowie eine Anzahl von mit diesen in elektrischem Kontakt stehenden eingebetteten Gitterteilen 206 des Leitungstyps P auf. Die oberflächenbenachbarten Gitterseile 20a besitzen jeweils einen gegenseitigen Abstand a voneinander und sind elektrisch über Elektroden 21 miteinander verbunden, so daß, wie nachstehend noch näher beschrieben, an den Gitterbereich 2C eine Vorspannung anlegbar ist. Der in F i g. 1 im Schnitt dargestellte Gitterbereich 20 kann als quadratisches, rechteckiges, kreisförmiges oder spiralförmiges Gitter ausgebildet sein oder eine andere beliebige Raumform aufweisen.

In den Zwischenräumen zwischen den otirflächenbenachbarten Gitterteilen 20a des Gitterbereichs 20 befindet sich eine Anzahl von elektrisch miteinander verbundenen Kathodenbereichen 22 des Leitungstyps N⁺. Die höhere Leitfähigkeit der Kathodenbereiche 22, die vorzugsweise nach einem der vorstehend genannten Verfahren hergestellt sind, erleichtert einerseits die elektrische Kontaktierung dieser Halbleitersubstratbereiche und erhöht andererseits den Wirkungsgrad bei der Injektion von Majoritätsträgern in das Halbleitersubstrat 12.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, ist die Gesamtoberfläche der Kathodenbereiche 22 größer als die des Gitteroereichs 20, so daß der am Thyristor auftretende Vorwärtsspannungsabfall aufgrund dieser größeren Gesamtoberfläche der Kathodenbereiche sehr gut an das Verhalten einer typischen PN-Diode angepaßt ist und 0,7 bis 1,0 Volt beträgt. Obwohl der beschriebene feldgesteuerte Thyristor überwiegend für Anwendungszwecke vorgesehen ist, bei denen eine Steuerung und Unterbrechung großer Stromstärken von mehr als IO Ampfere bis zu meheren tausend Ampere erfolgt, ist der am Thyristor auftretende Spannungsabfall aufgrund der sehr großen Kathodenfläche minimal.

Weiterhin besitzt der beschriebene feldgesteuerte Thyristor aufgrund der nachstehend näher beschriebenen Struktur des Gitterbereichs 20 die Fähigkeit, durch ihn fließende Ströme schon bei sehr geringen Spannungen zwischen Gitterbereich 20 und Kathodenbereichen 22 wirkungsvoll zu unterbrechen, d. h. abzuschalten, da sich bei Anlegen einer derartigen Spannung Verarmungsbereiche um die einzelnen Gitterteile herum ausbilden, deren Größe sich mit der angelegten Spannung verändert. Gemäß F i g. I erstrecken sich nämlich die eingebetteten Gitterteile 20b seitlich unter die benachbarten Kathodenbereichc 22 und sind von dem jeweils nächsten eingebetteten Gitterteil 20b durch einen Abstand b getrennt, wobei der zwischen jeweils zwei Gitterteilen gebildete Zwischenraum allgemein als Kanalbereich 24 bezeichnet ist. Die Dicke oder Tiefe c der eingebetteten Gitterteile 20Z> beeinflußt neben dem Abstand zwischen benachbarten Gitterteilen weiterhin auch die Sperrfähigkeit des Thyristors, da für einen gegebenen spezifischen Widersfand des Halbleitersubstrats die Größe der erforderlichen Spannung zwischen Gitterteilen und Kathodenbereichen für eine Sperrung des Thyristors in Durchlaßrichtung von dem Dimensionsverhältnis Tiefe c/Breite b des Kanalbereichs 24 zwischen den einander benachbarten eingebetteten Gitterteilen 20b abhängt. Das genruinte Dimensionsverhältnis liegt zwischen 0,5 und 5,0.

Die Funktionsweise des feldgesteuerten Thyristors beruht gemäß der vorstehenden Beschreibung somit auf dem Effekt der Stromsperrung durch Abschnürung, wai in mancherlei Hinsicht den Verhältnissen bei einem Feldeffekt-Transistor entspricht. Dabei ist diejenige Spannung, die zwischen dem Gitterbereich und den Kathodenbereichen angelegt werden muß, damit sich benachbarte Verarmungsbereiche um die eingebetteten Gitterteile 20b herum berühren bzw. schneiden, als Abschnürspannung bezeichnet. Beim Erreichen des Abschnürzustands wird der Stromfluß vom Anodenbereich zu den Kathodenbereichen unterbrochen, womit sich der Thyristor im stromsperrenden Zustand befindet. Bei Entfernen dieser Spannung kann andererseits Strom praktisch ungehindert von dem Anodenbereich zu den Kathodenbereichen fließen.

In Fig. 1 ist weiterhin eine typische Anordnung zur Verwendung des feldgesteuerten Thyristors in einer elektrischen Schaltung dargestellt. Die Kathodenbereiche 22 sind untereinander und mit dem positiven Anschluß einer Spannungsquelle 26 verbunden, deren negativer Anschluß mit dem Gitterbereich 20 verbunden ist. Eine weitere Spannungsquelle 28 ist mit ihrem negativen Anschluß mit dem positiven Anschluß der Spannungsquelle 26 und mit ihrem positiven Anschluß über eine Lastimpedanz 30 mit dem Anodenbereich 18 verbunden. Wie vorstehend beschrieben, besteh: die Funktion der Spannungsquelle 26 in der Erzeugung einer Vorspannung in Sperrich'ung zwischen Gitterbereich 20 und Kathodenbereichen 22 zur Ausbildung eines Verarmungsbereichs, dessen Größe sich mit der Amplitude der von der Spannungsquelle 26 erzeugten Spannung verändert. Die Spannungsquelle 28 versorgt die Lastimpedanz 30 mit Leistung, wobei diese Leistungszufuhr durch die Größe der von der Spannungsqueüe 26 abgegebenen Spannung gesteuert wird.

Zur Erzielung der Stromsperrung aufgrund des Abschnüreffekts wird lediglich eine geringe Spannung zwischen Gitterbereich und Kathodenbereichen benötigt, so daß sich eine sehr gute Sperrwirkung ergibt, während andererseits die zur Verfügung stehende Fläche des Thyristors durch Verwendung einer kleineren Fläche für den Gitterbereich 20 und einer größeren für die Kathodenbereiche 22 bei Erzielung eines geringen Spannungsabfalls in Vorwärtsrichtung wirksam ausgenützt ist. Da weiterhin die Größe des Abstandes a zwischen oberflächenbenachbarten Gitterteilen 20a keine Auswirkungen auf das allein durch den Abstand b und die Tiefe cder eingebetteten Gitterteile bestimmte Dimensionsverhältnis des Kanalbereichs 24 besitzt, kann der Abstand a relativ groß gewählt werden, so daß große Werte für das Verhältnis von Kathodenbereichfläche zu Gitterbereichfläche erzielbar sind, ohne daß die Sperrfähigkeit des Thyristors in Durchlaßrichtung verlorengeht. Eine Beschränkung für die Größe des Abstands zwischen benachbarten Gitterteilen besteht lediglich im seitlichen ohmschen Spannungsabfall in den eingebetteten Gitterteilen 206. Da die Durchbruchsspannung zwischen den Gitterteilen und den Kathodenbereichen jedoch beispielsweise auf eine Größe von 150 bis 200 Volt gebracht werden kann, kann zur Überwindung dieses seitlichen ohmschen Spannungsabfalls eine relativ große Vorspannung zwischen Gitlerbereich und Kathodenbereichen angelegt werden, so daß die aus dem seitlichen ohmschen

Spannungsabfall resultierende Beschränkung für den Abstand keineswegs gravierend ist.

Da darüber hinaus die Anforderungen bezüglich eines engen Abstands zwischen den Metallisierungsbereichen von Gitter und Kathode (die zur Herstellung elektrischer Kontakte mit diesen Teilen dienen) sehr gering sind, ist die Herstellung bei großer Ausbeute von Bauelementen mit großer Fläche sehr einfach.

Unter Bezugnahme auf die Fig.2, 3 und 4 wird nachstehend ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des feldgesteuerien Thyristors gemäß F i g. 1 beschrieben. In Fig.2 ist die Ausbildung der eingebetteten Gitterteile 20ό durch selektive Diffusion von Dotiermaterial (mit einer Oberflächenkonzentration von ca. 5 · 10¹⁶ cm-³) zur Änderung der Leitfähigkeit in die Oberfläche 14 des Halbleitersubstrats 12, das beispielsweise aus Silicium vom N-Leitungstyp mit einem spezifischen Widerstand von 50 bis 70 Ohm · cm besteht, dargestellt. Danach läßt man eine epitaxiale Schicht 32 vom N~-Leitungstyp mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer auf die Oberfläche 14 aufwachsen, womit die eingebetteten Gitterteile 2Oi) hergestellt sind. Daraufhin werden nach bekannten Planar-Verfahren mittels selektiver Diffusion durch die epitaxiale Schicht 32 hindurchreichende Bereiche des P⁺-Leitungstyps zum Kontakt mit den eingebetteten Gitterteilen 20b gemäß der in F i g. 4 gezeigten Darstellung ausgebildet. In der epitaxialen Schicht 32 werden weiterhin in ähnlicher Weise Kathodenbereiche 22 des N⁺-Leitungstyps hergestellt. Der Anodenbereich 18 und seine Kontakte werden in ähnlicher Weise nach konventionellen planaren Verfahren ausgebildet. Alternativ kann auch Zonenschmelzen mit Temperaturgradienten oder ein Ionenimplantationsverfahren verwendet werden. Die Ionenimplantation kann zum Beispiel vorteilhaft bei der Bildung eines flachen eingebetteten Gitters in dem Halbleitersubstrat und anschließendem Aufwachsen einer epitaxialen Schicht angewendet werden, wobei die epitaxiale Schicht hohe Lebensdauer und hohen Widerstand besitzt, ohne daß eine Selbstdotierung zwischen den Gitterteilen erfolgen kann. Mittels selektiver Diffusion oder durch Zonenschmelzen können anschließend planare Kontakte mit diesem implantierten eingebetteten Gitter hergestellt werden.

Es v. irden beispielsweise feldgesteuerte Thyristoren hergestellt, die eine Tiefe cder eingebetteten Gitterteile von 15 Mikrometer und einen Kanalbereich-Abstand b von 15 Mikrometer besaßen, so daß sich ein Dimensionsverhältnis von 1 (oder in Abhängigkeit vom Krümmungsradius des eingebetteten diffundierten Gitters etwas weniger) ergab, und einen Durchlaßspannung/G ittersperrspannungs- Verstärkungsfaktor von mehr als 100 bei einer zwischen Anode und Kathode angelegten Spannung von 1000 Volt oder mehr aufwiesen. Allgemein wurde gefunden, daß der Verstärkungsfaktor für die Vorwaris-Sperrspannung mit ansteigendnder Anoden-Kathoden-Spannung ansteigt.

Wird der feldgesteuerte Thyristor überwiegend für Inverter verwendet, so kann die Sperrfähigkeit gesteigert werden, indem die eingebetteten Gitterteile schmal ausgeführt werden, um den seitlichen Widerstands-Spannungsabfall auf ein Mindestmaß zu bringen, was allerdings gleichzeitig eine Verringerung des Verhältnisses zwischen Kathodenbereichfläche und Gitterbereiohfläche bedeutet. Wird der feldgesteuerte Thyristor jedoch vorwiegend für Phasensteuerungszwecke verwendet, wobei die Gitterbereiche nicht die volle Stromstärke führen, kann der eingebettete Teil des Gitterbereiches sehr breit ausgeführt werden. Damit ergeben sich aufgrund der besseren Ausnutzung der Halbleiter-Oberfläche niedrigere Verluste im durchgeschalteten Zustand. In jedem Fall wird jedoch dasselbe Dimensionsverhältnis für den Gitterbereich erzielt, so daß die Sperrfähigkeit in Durchlaßrichtung nicht beeinflußt ist.

Anstelle des beschriebenen P-N-N+-Thyristoraufbaus kann in abgewandelter Ausführungsform auch ein N-P-P⁺-Thyristoraufbau verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Feldgesteuerter Thyristor mit einem zwei gegenüberliegende Hauptflächen aufweisenden Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, mit einem Anodeninjektionsbereich eines zweiten, entgegengesetzten Leitungstyps angrenzend an die eine der beiden Hauptlfächen des Halbleitersubstrats, mit einem stromsteuernden Gitterbereich, bestehend aus oberflächenbenachbarten Gitterteilen des zweiten Leitungstyps und damit in Kontakt stehenden, eingebetteten Gitterteilen in dem Substrat, mit einer an die andere der beiden Hauptflächen angrenzenden Kathodenschicht des ersten Leitungstyps und mit planaren Elektroden zum Kontakt mit dem Anodenbereich, der Kathodenschicht und den Gitterteilen, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleiche Anzahl von oberflächenbenachbarten Gitterteilen (20ajund eingebetteten Gitterteilen (20b) vorgesehen ist, wobei die oberfiächenbenachbarten Gitterteile (2OaJ eine höhere Leitfähigkeit besitzen als die eingebetteten Giuerteile (20b), daß die Kathodenschicht aus einer Anzahl von Kathodenbereichen (22) besteht, die jeweils innerhalb der Zwischenräume zwischen den oberflächenbenachbarten Gitterteilen (20a) angeordnet sind, wobei die Kathodenbereiche (22) eine größere Oberfläche als die oberfiächenbenachbarten Gitterteile (20a) und eine höhere Leitfähigkeit als das Substrat (12) besitzen, und daß jedes eingebettete Gitterteil (206,) in Richtung senkrecht zu den Hauptflächen eine Tiefe c besitzt und Abschnitte aufweist, die sich seitlich unter benachbarte Kathodenbereiche (22) erstrecken und von dem nächst benachbarten eingebetteten Gitterteil (20b) in einem Abstand b angeordnet sind, wobei das Verhältnis der Tiefe c zum Abstand b in dem Bereich von 0,5 bis 5,0 liegt.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) aus Silizium mit N-Leitfähigkeit besteht und der Gitterbereich (20) und der Anodenbereich (18) den P-Leitungstyp besitzen.

3. Verwendung des Thyristors nach Anspruch 1 oder 2 in einer Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Spannungsquelle (26) elektrisch mit dem Gitterbereich (20) und dem Kathodenbereich (22, 24) zur Bildung von Verarmungszonen um den Gitterbereich (20) und eine zweite Spannungsquelle (28) über eine Lastimpedanz (30) elektrisch mit dem Anodenbereich (18) und dem Kathodenbereich (22, 24) verbunden ist.