DE2738152A1

DE2738152A1 - Festkoerperbauelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2738152A1
Application number: DE19772738152
Authority: DE
Inventors: B Jayant Baliga; Victor A K Temple
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1977-02-28
Filing date: 1977-08-24
Publication date: 1978-08-31
Also published as: SE7707114L; CA1086866A; JPS53106584A; GB1588534A

Description

2738lb2

U.Z.: M 243
Case: 6o92-33E

Electric Power Research Institute, Inc. Palo Alto, California, V.St.A.

Festkörperbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft ein Festkörperbauelement sowie ein Ver-

fahren zu seiner Herstellung und befaßt sich insbesondere mit dem Selbstschutz von Thyristoren und dergleichen gegen eine Beschädigung beim Zünden aufgrund eines Spannungsdurchbruches .
Ein Thyristor ist ein Festkörperbauelement mit einer Mehrzahl von alternierend angeordneten p- und η-leitenden Halbleiterschichten, üblicherweise ist der Thyristor eine Scheibe aus vier alternierend angeordneten n- und p-leitenden Siliciumschichten, wobei die einzelnen Schichten und die Übergänge zwischen ihnen durch Präzisionsgasdiffusion, Substratver-

Schmelzung und/oder Legierungsverfahren hergestellt sind.

Ein Thyristor besitzt im allgemeinen drei Elektroden, nämlich eine Kathode, eine Anode und eine Steuerelektrode, die üblicherweise auch als Gate bezeichnet wird. Bei der normalen Be-

_L triebsweise wird der Thyristor durch ein mindestens kurzzeiti- _j

■ - η 27381&2 ges Anlegen einer Vorspannung in Durchlaßrichtung zwischen Steuerelektrode und Kathode gezündet. Danach bleibt der Thyristor eingeschaltet/ bis die Anoden-Kathodenspannung unter einen Schwellwert fällt, der zur Aufrechterhaltung der Regeneration bzw. des Stromes in Durchlaßrichtung notwendig ist.

Der Thyristor kann jedoch auch ohne eine an der Steuerelektrode anliegende Spannung gezündet werden, wenn die Anoden-Kathoden-Spannung einen für das Bauelement charakteristischen Wert überschreitet. Der Spannungswert, bei welchem der 10

Thyristor selbsttätig zündet, wird als Kippspannung bezeichnet und die Erscheinung soll im weiteren als Kippspannungszünden bezeichnet werden. Die Hauptemitterzone in der Kathode des Thyristors ist besonders anfällig gegen eine

Beschädigung während des Kippspannungszündens, das durch eine

derartige überhöhte Spannung an dem Bauelement hervorgerufen wird. Die Lokalisierung des Zündpunktes innerhalb des Bauelementes ist üblicherweise keiner Steuerung unterworfen. Als Folge hiervon kann das Zünden häufig innerhalb des

Kathodenemitters erfolgen, in einer Weise, die eine blei-

bende Schädigung des Bauelementes hervorruft.

Das Zündkriterium des Bauelementes, das auf der Stromverstärkung eines durch die Anodenschicht, die Anodenbasisschicht und die Kathodenbasisschicht des Thyristors gebildeten Transistors beruht, wird in erster Näherung durch das Produkt aus dem Anodenbasistransportfaktoro(_T und dem Lawinenmultiplikationsfaktor M beschrieben.(Genau gesagt,ist das Zündkriterium das Produkt aus dem Stromverstärkungsfaktor C^₀ und dem Lawinenmultiplika-

L -J

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tionsfaktor M. Da jedoch der Stromverstärkungsfaktor oc_ das Produkt aus dem Anodenbasistransportfaktor o<_, und dem Emitterwirkungsgrad Ύ_ des Anodenemitters ist, dessen Wert nahe bei tu

1 liegt und sich nicht wesentlich mit der Spannung ändert, kann man in erster Näherung &_Q = <*_ setzen. Daher kann man den Index vernachlässigen und den Stromverstärkungsfaktor OC₀ und den Anodenbasistransportfaktor oc_ als ein und den gleichen Faktor ansehen). Sowohl der Anodenbasistransportfaktor als auch der Lawinen-Multiplikationsfaktor sind spannungsabhängige Parameter. Eine übergroße Vorspannung in Durchlaßrichtung führt dazu, daß das Produkt aus OC·Μ innerhalb einer bestimmten Region des Thyristors vorzeitig den Wert 1 Überschreitet, was dazu führt, daß in diesem lokalen Bereich die Stromverstärkung nach Unendlich geht. Ein Zünden des Bauelementes auf diese Welse führt häufig zur Beschädigung und zu einem Ausfall des Bauelementes.

Bisher hat man auf zwei verschiedene Arten versucht, die Bauelemente gegen eine Beschädigung beim Zünden durch Erreichen der Kippspannung zu schützen. Bei der ersten Methode werden Anode und Steuerelektrode über eine externe Schaltung miteinander verbunden, deren Durchbruchsspannung unterhalb jener des internen Emitters liegt, der geschützt werden soll. Wenn die Spannung zwischen Anode und Kathode sich dem Durchbruchswert annähert, wird der in der externen Schaltung fließende Lawinenstrom zum Steuerstrom des Thyristors, wodurch dieser auf normale Art und Welse gezündet wird. Einer der Hauptnachteile dieser Art von Durchbruchsschutz liegt

, darin, daß zusätzliche Bauteile für eine externe Schaltung

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benötigt werden, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten und der Größe des Bauelementes führt.

Bei der zweiten Methode wird der interne Aufbau des Bauelemen tes beeinflußt, indem die zur Herstellung der η-Basiszone die nende Silidumplatte so präpariert wird, daß die höchste Donatorkonzentration exakt unterhalb des Bereiches für den Steuerkontakt liegt. Diese Methode ist in einer Veröffentlichung von Peter Voss, Solid State Electronics, Band 27, Seite 265 (1974) beschrieben. Bei der Voss¹sehen Methode gewährleistet die Abhängigkeit der Lawinendurchbruchcharakteristik von der Donatorkonzentration, daß die dotierte Zone der erste Bereich ist, in dem ein Durchbruch erfolgen kann. Dadurch wird verhindert, daß der Thyristor durch Erreichen der Kippspannung in irgendeinem anderen Bereich gezündet wird.

Thyristoren und viele andere Halbleiterbauelemente werden aus einem Siliciumplättchen hergestellt, das anfangs eine hohe Reinheit aufweist und durch eine hohe Lebensdauer seiner Ladungsträger gekennzeichnet ist. Im Laufe des Herstellungsverfahrens wird dieses Plättchen üblicherweise gleichförmig bestrahlt oder es werden die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzende Verunreinigungen gleichförmig in die Plättchenoberfläche eingebracht, um die Charakteristik des Siliciumplättchens zu ändern. Dieses Verfahren kann auch im folgenden vorteilhaft verwendet werden.

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Gemäß der Erfindung wird ein Thyristor gegen Beschädigungen beim Zünden nach Erreichen der Kippspannung dadurch geschützt, daß die Lebensdauer der Minoritatsladungsträger in der Basis der Steuerelektrodenzone gezielt gesteuert wird, um eine voraussagbare Stelle in der Steuerelektrodenzone festzulegen, an der das Zünden des Thyristors aufgrund des Erreichens der Kippspannung erfolgt. Gemäß einem ersten Verfahren wird eine Änderung der Lebensdauer der Ladungsträger in der ausgewählten Steuerelektrodenzone dadurch erzielt, daß die Steuerelektrodenzone bei einer Bestrahlung des eine hohe Lebensdauer seiner Ladungsträger aufweisenden Siliciumträgermaterials mit Elektronenstrahlen oder anderen defektinduzierenden Strahlen abgeschirmt wird, um Defektzentren gegen die lebensdauerverkUrzende Strahlung zu schützen. Gemäß einem anderen Verfahren wird die Steuerelektrodenzone nach der Bestrahlung mit Elektronenstrahlen getempert und dabei bis zu einem Temperaturschwellwert aufgeheizt, bei dem bekanntermaßen die in diesem Bereich durch Strahlung induzierten Defekte eliminiert werden.

Alternativ hierzu können auch lebensdauerverkürzende Verunreinigungen über die gesamte Kathode mit Ausnahme der Steuerelektrodenzone eingeführt werden und zwar entweder durch eine gezielte Diffusion von einer örtlich konzentrierten Quelle oder durch lokale Ionenimplantation, gefolgt von einer in einem lokalen Bereich erfolgenden Diffusion.

Als Folge hiervon erhält man einen örtlich höheren Stromveγι stärkungsfaktor oC entsprechend dem Anodenbasistransport- _j

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γ _^_ "ι

/M- 2738)52

faktor OC _τ des zwischen Anode, Anodenbasis und Kathodenbasis fließenden Subtransistorstromes. Daher wird also das Zündkriterium, gegeben durch den Wert 1 des Produktes aus dem Anodenbasistransportfaktor 06 _T und dem Lawinenmultiplika-

tionsfaktor H, in der Steuerelektrodenzone bei einer niedrigeren Spannung erfüllt als anderswo in dem Thyristor.

Die beiliegenden Figuren erläutern die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen. Es stellen dar: 10

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Thyristors mit einer Steuerelektrode für Flächenzündung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch mehrere Siliciumplättchen, an denen die Verfahrensschritte gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erläutert werden,

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2 zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Flg. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 2 zur Erläuterung des Verfahrens gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5 eine Darstellung gemäß Fig. 2 zur Erläuterung des Ver-

l_ fahrens gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungs- j

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-r-

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es hilfreich, den Aufbau und die charakteristischen Merkmale des in Fig. 1 dargestellten als Thyristor 1o ausgebildeten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes sich genauer anzusehen. Der Thyristor 1o weist einen Anodenkontakt 12, einen Kathodenkontakt 14 und einen Steuerkontakt 16 auf, wobei diese Kontakte 12, 14 und 16 in Ohmschem Kontakt mit einer ersten (Unterseite) bzw. zweiten (Oberseite) Seite eines allgemein scheibenförmigen Siliciumplättchens 18 als Trägermaterial stehen. Der Steuerkontakt 16 ist üblicherweise nahe dem Zentrum des Siliciumplättchens 18 angeordnet und in bestimmten Ausführungsformen von dem ringförmig ausgebildeten Kathodenkontakt 14 umgeben.

Der Thyristor 1o umfaßt einzelne miteinander verbundene Halbleiterschichten, die in der folgenden Weise bezeichnet werden: Die Anodenbasisschicht oder breite Basisschicht oder einfach n-Basisschicht 22, die Anoden-p-Schicht oder p-Anodenschicht 24, die Kathodenbasisschicht oder ρ Basisschicht 26 und diskontinuierliche Schichten 28 und 3o. Die Schicht 28 wird als Hauptemitterschicht 28 bezeichnet und die zwischen dem Kathodenkontakt 14 und dem Steuerkontakt 16 liegende Schicht 3o wird als Steueremitterschicht oder Schaltthyristoremitterschicht 3o bezeichnet.

Die n-Basisschicht 22 liegt zwischen der p-Anodenschicht 24 und der p-Basisschicht 26. Die p-Anodenschicht 24 steht über einen Metallüberzug in Ohmschem Kontakt mit dem Anodenkontakt

L_ 12. Die Hauptemitterschicht 28 und die Steueremitterschicht 3o_j

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sind beispielsweise hochdotierte η-leitende Halbleiterschichten, die durch Einschmelzen oder Diffusion der p-Basisschicht 26 hergestellt wurden. Diese steht Ober einen Netallüberzug einerseits durch Kurzschlußverbindungen in der Hauptemitterschicht 28 mit dem Kathodenkontakt 14 und andererseits mit dem Steuerkontakt 16 in Ohmschem Kontakt. Die n-Basisschicht 22 besitzt einen relativ großen Halbleiterübergang 32 mit der p-Basisschicht 26 und einen weiteren relativ großen Halbleiterübergang 34 mit der p-Anodenschicht 24. Heitere Halbleiterübergänge 36 und 38 sind zwischen der p-Basisschicht 26 und der Hauptemitterschicht 28 sowie der Steueremitterschicht 3o ausgebildet.

Der Thyristor 1o weist ferner eine Anzahl von Arbeitszonen auf. Die im wesentlichen unterhalb des Steuerkontaktes 16 zwischen diesem und dem Anodenkontakt 12 liegende Zone wird als Steuerelektrodenzone (Gate-Zone) 4o bezeichnet. Die in etwa unterhalb der Steueremitterschicht 3o liegende Zone wird als Steuer- oder Schaltthyristorzone 41 bezeichnet. Das relativ breite Gebiet zwischen dem Kathodenkontakt 14 und dem Anodenkontakt 12 ist allgemein als Hauptthyristorzone 43 bekannt.

Der in Fig. 1 dargestellte Thyristor 1o wird wegen der Steuerthyristorzone 41 als Thyristor mit Steuerelektrode für Flächenzündung bezeichnet. Durch die Steuerelektrodenzone 4o ist ein Subtransistor definiert, der durch die quer durch die Schichten 26, 22 und 24 verlaufenden gestrichelten Linien angedeutet ist. In der korrekten Betriebsweise wird zunächst die

[_ Steuerthyristorzone 41 durch einen seitlich zwischen _j

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Γ _ y„

dem Steuerkontakt 16 und dem Kathodenkontakt 14 fließenden Strom gezündet. Wenn die Steuerthyristorzone 41 gezündet ist, wird die Hauptthyristorzone 43 leitend durch einen zwischen der Steuerelektrode und der Kathode fließenden Strom und einen zwischen dem Anodenkontakt 12 unterhalb der Steueremitterschicht 3o und dem Kathodenkontakt 14 fließenden Strom. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der lokale Verstärkungsverlauf innerhalb der unter der Steueremitterschicht 3o liegenden Steuerelektrodenzone 4o geregelt und damit eine Be-Schädigung des Bauelementes verhindert, die bei einem Spannungsdurchbruch aufgrund einer zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 in Durchlaßrichtung angelegten überhöhten Vorspannung auftreten kann. Die örtlich begrenzte Verstärkungsregelung resultiert in einer bestimmten Geometrie der Arbeitsbereiche, die dazu führt, daß der durch den Subtransistor in der Steuerelektrodenzone 4o fließende Strom zunächst die Steuerthyristorzone 41 zündet und danach die Hauptthyristorzone 43 leitend werden läßt, wenn eine überhöhte vorspannung in Durchlaßrichtung auftritt. In Bauelementen ohne eine Steuerthyristorzone ist die Geometrie derart, daß die Hauptthyristorzone 43 durch einen von einem überhöhten Durchlaßstrom hervorgerufenen Strom gezündet wird.

Die Arbeitsweise des Thyristors 1o ist durch wohl bekannte, örtlich begrenzt auftretende Halbleitereigenschaften definiert. So ist beispielsweise der Zündpunkt längs des n-püberganges 32 durch das Produkt aus dem örtlichen Basistransport faktor Di, welcher näherungsweise den Verlauf der

l_ Stromverstärkung wieaargibt, und dem Lawinenmultiplikations- _j

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1 faktor M bestimmt. An dem Punkt längs des n-p-Überganges 32, an dem das Produkt oC.M zuerst den Wert 1 erreicht oder überschreitet, beginnt ein Lawlnendurchbruchsstrom zu fließen.

5 Der Multiplikationsfaktor M und der Transportfaktor Ot sind beide spannungsabhängig. Der Transportfaktor OC wird näherungsweise durch die folgende Gleichung gegeben:

₁₀ Ot(V) - 2 (1)

βχρ (-*!SL·) ♦ exp ( ^_

exp j + exp / -W(V)

Dabei bedeutet
15

W(V) die Breite der Basisschicht, welche bei einer angelegten Spannung nicht verarmt ist, und

L die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger

in der n-Basisschicht 22.
Dabei ist L durch folgende Gleichung gegeben:

L_p - (DpTp)¹⁷² (2)

25 Dabei bedeutet

D den charakteristischen Diffusionskoeffizienten

der Minoritätsladungsträger in der n-Basisschicht, und

J 809835/0478

Übers
in der n-Basisschicht 22.

T die Lebensdauer der Überschußminoritätsladungsträger

Bei einer einen scharf abgegrenzten Halbleiterübergang annehmenden Näherung für den Multiplikation faktor M ist dieser durch folgenden Ausdruck gegeben:

M(V) - 1 (3)

dabei bedeutet

V die angelegte Spannung, und

V-_ die charakteristische Durchbruchsspannung. ^BR

Die mit einem scharf abgegrenzten Halbleiterübergang rechnende Näherung ist im Falle der meisten durch Diffusion hergestellten Obergänge nicht genügend genau. Exaktere Ausdrücke kann man in der Literatur finden, beispielsweise in S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley Interscience Press, 1969.

Der Lawinenmultiplikationsfaktor M und der Transportfaktor OC können längs des n-p-Uberganges 32 örtlich variieren. Zur Erläuterung wird der Multiplikationsfaktor längs des n-p-Uberganges 32 außerhalb der Steuerelektrodenzone 4o mit M_n und der Transportfaktor in der n-Basisschicht 22 außerhalb der Steuerelektrodenzone 4o mit OC bezeichnet. Ferner werden der Multi- j

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plikationsfaktor und der Transportfaktor innerhalb der Steuerelektrodenzone 4o mit M- bzw. 06 Q bezeichnet.

Da das Zündkriterium lautet 0£·Μ=1, kann die Lage des Zündpunktes durch eine relative Modifikation der Transportfaktoren OLq und#_M

gesteuert werden. Gemäß der Erfindung wird 0£,_ größer als OCw gemacht/ so daß das Zünden des Bauelementes stets innerhalb der Steuerelektrodenzone 4o und längs des inneren Abschnittes des p-n-überganges 38 erfolgt. 10

Eine nähere Betrachtung der obigen Gleichung 1 zeigt, daß 06_Q in den betrachteten Zonen physikalisch von der Diffusionslänge L der Ladungsträger abhängt. Gleichung 2 wiederum zeigt, daß die Diffusionslänge L der Ladungsträger direkt von der Lebensdauer V der Ladungsträger abhängt. Daher bestimmt die örtliche Modifikation der Lebensdauer V der Ladungsträger den Zündpunkt des Bauelementes.

Die Fig. 2 und 3 erläutern mögliche Verfahren während der Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Thyristors 1o, um eine gewünschte Steuerung der Lebensdauer f der Ladungsträger in bestimmten lokalen Bereichen und damit eine Steuerung des Transportfaktors OL zu erreichen.

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem ersten Verfahrensechritt A ein Trägerplättchen 42 aus hochreinem Silicium gleichförmig beispielsweise mit Elektronenstrahlen bestrahlt,

L_ die durch Pfeile 44 angedeutet sind. Eine derartige Bestrahlung

·>|9- 2738162

ist beispielsweise aus der Literaturstelle: Tarneja & Johnson, "Tailoring the recovered charge in power diodes using 2MeV electron irradiation," Electrochem. Society Mtg., Paper 261 RNP 1975, bekannt. Dadurch werden die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzende Defektzentren in dem Trägerplättchen 42 erzeugt, welche das Trägerplättchen 42 durchdringen. Danach wird das Trägerplättchen 42 in der Steuerelektrodenzone 4o lokal getempert, wie dies durch die Pfeile 46 in Teil B der Fig. 2 angedeutet ist. Durch den Tempervorgang werden die die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzenden Defektzentren in der Kristallstruktur des Trägerplättchens 42 wieder beseitigt, wodurch die Lebensdauer f der Ladungsträger und damit auch der Transportfaktor 06 in der Steuerelektrodenzone 4o erhöht wird. Die Temperaturen, bei denen die durch die entsprechenden

Strahlungsdosen in Silicium hervorgerufene Defektzentren

wieder ausgeheilt werden, sind in der Literatur und der entsprechenden Fachwelt bekannt. Als Ergebnis der oben beschriebenen Verfahrensschritte erhält man lokale Unterschiede in der Lebensdauer der Ladungsträger innerhalb des Siliciumträgerplättchens 42, wie dies in Teil C der Fig. 2 dargestellt ist. Damit ergibt sich aber auch innerhalb der Steuerelektrodenzone 4o ein Transportfaktor oC _G, der höher ist als der Transportfaktor in den übrigen Bereichen des Trägerplättchens 42.

Fig. 3 zeigt ein noch einfacheres und in mancher Hinsicht vielseitiger verwendbares Verfahren zur Erzeugung von lokal begrenzten Unterschieden in der Lebensdauer der Ladungsträger

l_ in dem Trägerplättchen 42. Im Teil A der Fig. 3 wird eine _j

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Abschirmung auf die Oberfläche des Trägerplättchens 42 oberhalb der Steuerelektrodenzone 4o gelegt und das Trägermaterial danach mit Elektronenstrahlen oder anderen Defekte induzierenden Strahlen bestrahlt. Die unter der Abschirmung 48 liegende Steuerelektrodenzone 4o ist folglich gegen eine Erzeugung von die Lebensdauer verkürzenden Defekten abgeschirmt. Das Ergebnis ist ein in Teil B der Fig. 3 dargestelltes SiIiciumträgerplättchen 42 mit örtlich variierender Lebensdauer der Ladungsträger

Die Abschirmung 48 besteht vorzugsweise aus einer abnehmbaren Maske, beispielsweise einer Bleifolie. Die Abschirmung kann gegebenenfalls mechanisch an ihrem Platz festgehalten werden. Soll eine Modifikation der Lebensdauer der Ladungsträger innerhalb der Steuerelektrodenzone 4o erreicht werden, so kann die Abschirmung 48 während eines bestimmten Zeitabschnittes des Strahlungsvorganges von der Steuerelektrodenzone 4o entfernt werden. Das in Fig. 3 dargestellte Verfahren ist besonders vielseitig anwendbar, da die Abschirmung für eine beliebige Zeitspanne während einer beliebigen Stufe des Herstellungsprozesses aufgelegt werden kann. Dabei erfolgt dieser Verfahrensschritt jedoch am zweckmäßigsten nach dem Herstellen der Halbleiterübergänge und der Metallüberzüge.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer örtlich variierenden Lebensdauer der Ladungsträger in dem Siliciumträgermaterial 42. In Teil A der Fig. 4 wird zunächst eine Quelle 51 von die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzenden Verunreinigun-

l_ gen auf die Oberfläche des Trägerplättchens 42 aufgelegt. Da- j

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-V-

bei 1st die Quelle 51 so geformt,daß sie den Oberflächenabschnitt mit der darunterliegenden Steuerelektrodenzone 4o ausspart. Das die Verunreinigungen erzeugende Material kann beispielsweise Gold oder Platin enthalten und kann auf das Trägerplättchen durch Aufdampfen einer Metallschicht oder durch Auflegen von einer die Verunreinigungen enthaltenden Glasmasse, beispielsweise einer mit den Verunreinigungen bedampften Glasmasse oder einer gesponnenen Glasmasse, aufgebracht werden. Allgemeine Verfahren, welche die Dotierung mit Gold zur Steuerung der Lebensdauer von Ladungsträgern betreffen, wurden für unterschiedliche Anwendungszwecke in der Fachliteratur diskutiert, so beispielsweise bei Fairfield & Gokhale, "Control of diffused diode recovery time through gold doping", Solid State Electronics, Band 9, Seiten 9o5-9o7, 1966. Diese Anbeitsverfahren können in dem vorliegenden Verfahren verwendet werden. Nach dem Auflegen der Verunreinigungen enthaltenden Schicht werden die Verunreinigungen dazu gebracht, in das Trägermaterial 42 hineinzudiffundleren, wie dies durch Pfeile 5o in Teil B der Fig. 4 angedeutet ist. Dadurch werden die Lebensdauer von Ladungsträgern in der gewünschten Weise verkürzende Defekte in dem Trägerplättchen 42 erzeugt (Fig. 4b). Als Resultat erhält man das in Teil C der Fig. 4 dargestellte Trägerplättchen 42 mit einer Steuerelektrodenzone 4o, in der die Ladungsträger eine relativ hohe Lebensdauer besitzen.

Die Fig. 5 schließlich zeigt noch ein weiteres Verfahren zur Erzielung der gewünschten Verteilung der Ladungsträgerlebensdauer innerhalb des Trägerplättchens 42. In dem in Teil A der Fig. 5 dargestellten Verfahrensschritt wird eine Schicht 52

l_ aus die Lebensdauer von Ladungsträgern verkürzenden Verunrei- _j

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nigungen, wie beispielsweise Gold oder Platin, durch Ionenimplantation (Pfeile 53) auf die Oberfläche des Trägermaterials 42 aufgebracht und zwar in den Bereichen, die nicht über der Steuerelektrodenzone 4o liegen. Danach diffundieren die Verunreinigungen in das Trägermaterial 42 ein (Teil B der Fig. 5). Folglich erhält man in der Steuerelektrodenzone 4o eine lokal höhere Lebensdauer der Ladungsträger und damit einen höheren Transportfaktor, wie dies in Teil C der Fig. 5 schematisch dargestellt ist.

Die Dotierung mit Gold ist eine relativ einfache Methode zur Beeinflussung der Lebensdauer von Ladungsträgern. So kann beispielsweise bei der Herstellung eines als Inverter dienenden golddotierten Thyristors die Lebensdauer und damit der Basistransportfaktor allein dadurch beeinflußt werden, daß man sicherstellt, daß die Steuerelektrodenzone 4o nicht mit Gold dotiert wird.

Die folgenden Beispiele erläutern die Auswahl geeigneter Werte des Transportfaktors innerhalb der Steuerelektrodenzone für bestimmte Dotierungsverteilungen in dem Trägermaterial. Es wird zunächst eine Trägerplatte betrachtet, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist. Dieses Trägermaterial hat eine

13 3

konstante Ladungsträgerdichte von N - 3 χ 1o Elektronen/cm ,

eine Dicke von etwa 5,o9 χ 1o cm, eine lange Lebensdauer V (beispielsweise größer als 3o .usec) und eine p-Anodenschicht und eine p-Basisschicht 26, die bei einer Ladungsträgerdichte an der Oberfläche von N_g - 3 χ Io Ladungsträgern/cm durch eine Diffusionseindringtiefe von 1,778 χ Io cm gebildet wurden. [_ Tabelle I gibt bei einem Trägermaterial mit dieser Do tie rungs- _j

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^Γ - Yi-

verteilung Werte für den Multiplikationsfaktor mit hinreichender Genauigkeit an.

Tabelle I V M

452o *°

422o 8

419o 4

41 oo 2

397o

387o 1.25

3725 1.125

Die Lebensdauer T-. der Ladungsträger in dem außerhalb der Steuerelektrodenzone 4dliegenden Bereich der n-Basisschicht 22 wird durch das erfindungsgemäße Verfahren auf 15 ,usec verkürzt.

Diese Zeitspanne entspricht etwa der Hälfte der Lebensdauer der Ladungsträger in der Steuerelektrodenzone 4o. Dies führt zu einer Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger von L = ungefähr 1,3462 χ 1o cm. Wenn an dem Thyristor 1o eine Spannung v= 4o5o Volt anliegt, dann wird eine an dem Hauptabschnitt des n-p-Ubergangs 32 anliegende Spannung V -Basis von etwa 335o Volt festgestellt. Dies entspricht einer Breite einer nicht verarmten Basisschicht von W(V) = 1,3462 χ 1o cm. Aus Gleichung (1)erhält man deshalb für cL (4o5o) *■ o,65 über den Hauptabschnitt des Überganges 32. Der Lawinenmultiplikationsfaktor am Hauptabschnitt des Überganges ergibt sich aus Tabelle I zu M_M (4o5o) ~ 1,75. Deshalb erhält man für das Zündkriterium ^Λ _Μ·^Μ _Μ den Wert 1,13,

L _J

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der anzeigt, daß die Kippspannung in dem Hauptbereich des Thyristors 1o bei etwa 4ooo Volt liegt.

Nach der Behandlung des Trägermaterials nach einem der erfin-

dungsgemäßen Verfahren ist die Lebensdauer t^ der Minoritätsladungsträger in der Steuerelektrodenzone 4o auf etwa 3o ,usec eingestellt, d.h. einen Wert, der zweimal so groß ist wie die Zeitkonstante in dem Hauptabschnitt der n-Basisschlcht 22. Hieraus erhält man eine charakteristische Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger von annähernd 1,9o5 χ Io cm. Bei einer angelegten Spannung von 39oo Volt beträgt die Obergangsspannung in der Steuerelektrodenzone 4o des Thyristors gemäß Flg. 1 etwa 32oo Volt. Hieraus erhält man in bekannter Weise für W(V) etwa 1,4224 χ 1o~² cm. Aus Gleichung 1 folgt dann aus Tabelle I: 0i_Q von 39oo » 1,37. Hieraus folgt für das Zündkriterium oC«M « 1,o6, was anzeigt, daß die Kippspannung in der Steuerelektrodenzone 4o etwa 385o Volt beträgt, d.h. etwa 15o Volt weniger als die Kippspannung in irgendeinem anderen Bereich des Thyristors 1o. Daher sollte das Zünden durch Erreichen der Kippspannung und eine Stromleitung in der Steuerelektrodenzone 4o eher als an irgendeiner anderen unerwünschten Stelle erfolgen.

Es muß freilich betont werden, daß bei diesen Rechnungen angenommen wurde, daß der Randbereich des Thyristors eine charakteristische Kippspannung besitzt, die höher als 385o Volt liegt. Zu diesem Zweck wird bei der Herstellung in der Industrie eine relativ gute Passivierung der Randbereiche durchgeführt.

^L 809835/0478 ^J

Die Bemühungen um die Kippspannung im Randbereich des Trägermaterials 18 setzt für den Wert des Transportfaktors 0C_Q zwischen Emitter und Steuerelektrode eine niedrigere effektive Grenze. Ein Grundkriterium dafür, daß die Kippspannung in dem Hauptabschnitt des Obergangs 32 größer ist als in der Steuerelektrodenzone 4o ist dann erfüllt, wenn 06 _M kleiner ist als öC_G· Dies erfordert, daß die Diffusionslänge L der örtlich begrenzten Minoritätsladungsträger in diesem Bereich verringert wird. Wenn jedoch OCu und L_n zu klein sind, kann ein starkes

Anwachsen des Abfalls der Durchlaßspannung die Folge sein.

Wenn im anderen Extremfall Ot _G wesentlich anwächst, führt dies auch zu einer wesentlichen Zunahme der Leckstromempfindlichkeit und der Empfindlichkeit für einen der zeitlichen Änderung der Spannung proportionalen oder sogenannten dV/dt-Strom in der Steuerelektrodenzone 4o. Dieser wächst um einen Betrag, welcher der Subtransistorverstärkung in der Steuerelektrodenzone 4o und deren Größe proportional ist. Um die Änderung des Spannungsgradienten in dem Thyristor Io so gering wie möglich zu halten, kann man die Größe der Steuerelektrodenzone 4o verringern.

Die vorstehenden Berechnungen galten für ein Trägermaterial, das durch eine konstante Elektronendichte von 3 χ Io /cm gekennzeichnet ist. Nun wird ein Bauelement betrachtet, das unter Verwendung eines Trägermaterials mit einer Elektronendichte von 5 χ 1ο Elektronen/cm und einer Doppelschichtdicke von 3,81o χ 1o cm hergestellt ist. Unter Verwendung von Gleichtung 1 und der folgenden Tabelle II errechnet sich

, eine Kippspannung an dem Obergang 32 des Thyristors 1o _j

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- jfc -

außerhalb der Steuerelektrodenzone 4o von annähernd 2800 Volt mit einer Lebensdauer der Ladungsträger ^_po ^s 5 ,usec. Die Kippspannung innerhalb der Steuerelektrodenzone 4o errechnet eich zu etwa 25oo Volt bei einer Lebensdauer der Ladungsträger ^p₀ * 2o ,usec. Das heißt die Lebensdauer der Ladungsträger innerhalb der Steuerelektrodenzone ist etwa viermal so hoch wie jene der Ladungsträger innerhalb der Hauptemitterschicht 28. Die Differenz der Kippspannung zwischen der Steuerelektodenzone 4o und dem Hauptabschnitt des Übergangs 32 beträgt W also annähernd 3oo Volt.

Tabelle II

3o7o 8

3o4o 44

296o 2 288o 1,5

2775 1,25

268o 1,125

Diese Berechnungen geben lediglich ein Bild von der Größe des Unterschiedes der Kippspannungen, die durch eine örtlich begrenzte Veränderung der Lebensdauer V der Minoritätsladungsträger erreicht werden kann, wodurch der Basistransportfaktor OC und damit wiederum das Zündkriterium OC ·Μ eingestellt werden kann.

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Claims

VOSSIUS-VOSSIUS · HILTL

PATENTANWÄLTE

SIEBERTSTRASSE 4 · 80CX) MÜNCHEN ββ ■ PHONE: (Ο88) 47 4O 7β £ / y O j CABLE: BENZOLPATENT MÜNCHEN - TELEX 5-38403 VOPAT D

u.Z.: M 243 ²⁴· August 1977

Case: 6o92-33E

Electric Power Research Institute, Inc. Palo Alto, California, V.St.A.

"Festkörperbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung Priorität: 28. Februar 1977, V.St.A., Nr. 772 712

Patentansprüche

/' I.i Festkörperbauelement, insbesondere Thyristor, umfassend einen SiIieiumträger, einen Anodenkontakt an einer Seite des Siliciumträgers und einen Kathodenkontakt sowie einen mit einem seitlichen Abstand ζum Kathodenkontakt angeordneten Steuerkontakt auf der anderen Seite des Siliciumträgers, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciuraträger (8) eine Hauptthyristorzone (43) zwischen Anodenkontakt (12) und Kathodenkontakt (14), eine Steuerelektrodenzone (4o) zwischen Anodenkontakt (12) und Steuerkontakt (16) und eine eine Steuerthyristorzone (41) definierende Steueremitterzone zwischen dem Steuerkontakt (16) und dem Kathodenkontakt (14)

ORIGINAL INSPECTED

aufweist und daß die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der Steuerelektrodenzone (4o) größer ist als die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der Hauptthyristorzone (43) derart, daß bei einer überhöhten Vorspannung in Durchlaßrichtung zunächst ein Strom in der Steuerelektrodenzone (4o) fließt, der die Steuerthyristorzone (41) zündet.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Lebensdauer der Minoritätsladungs- träger in der Steuerelektrodenzone (4o) mindestens etwa doppelt so groß ist wie an irgendeiner anderen Stelle des Siliciumträgers (18).
3. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbauelementes, ¹^ insbesondere eines Thyristors, das in einem Siliciumträgermaterial einen Hauptbereich und eine einen örtlich begrenzten Subtransistor bildende Steuerelektrodenzone aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß von außen in dem Siliciumträgermaterial (18, 42) die Ladungsträgerlebensdauer (f) verkürzende Defekte erzeugt werden und daß die Wirkung der Defekte auf den Bereich außerhalb der Steuerelektrodenzone (4o) beschränkt wird, so daß die Lebensdauer (f) der Ladungsträger in der Steuerelektrodenzone (4o) relativ zur Lebensdauer (V ) der Ladungsträger in dem Hauptbereich erhöht wird und damit die Stromverstärkung innerhalb der Steuerelektrodenzone (4o) höher ist als außerhalb derselben.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß als Trägermaterial (18, 42) hochreines

Γ _3- Ι

Silicium mit einer relativ hohen Ladungsträgerlebensdauer (T) verwendet wird, daß zunächst sowohl im Hauptbereich als auch in der Steuerelektrodenzone (4o) durch Erzeugung von Defekten die Ladungsträgerlebensdauer verkürzt wird und daß die Begrenzung der Wirkung der Defekte auf den Hauptbereich dadurch erfolgt, daß die Defekte durch Tempern der Steuerelektrodenzone (4o) ausgeheilt werden und damit die Lebensdauer (f) der Ladungsträger in der Steuerelektrodenzone (4o) relativ zum Hauptbereich erhöht wird.
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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Lebensdauer (V) der Ladungsträger im Hauptbereich etwa auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes im Ausgangsmaterial verkürzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß als Trägermaterial (18, 42) hochreines Silicium mit einer relativ langen Ladungsträgerlebensdauer (¹F) verwendet wird und daß die Steuerelektrodenzone (4o) vor einer Defekte im Trägermaterial (18, 42) erzeugenden Bestrahlung geschützt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrodenzone (4o) minde- etens während eines Teils der Bestrahlungszeit abgeschirmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e η ή -

, zeichnet, daß zur Abschirmung eine Bleifolie (48) _j

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zwischen die Strahlungsquelle und das Trägermaterial (42) gebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Steuerelektrodenzone (4o) derart abgeschirmt wird/ daß sie relativ zum Hauptbereich mit einer relativ geringeren Strahlungsdosis bestrahlt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch W gekennzeichnet , daß die Lebensdauer ( ⁰C) der

Ladungsträger innerhalb der Steuerelektrodenzone (4o) mindestens etwa doppelt so hoch ist wie die Lebensdauer der Ladungsträger in dem Hauptbereich.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die Erzeugung der Defekte durch Bestrahlung des Trägermaterials (18, 42) mit Elektronenstrahlen erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Defekte in dem Träger material (18, 42) durch Diffusion von die Ladungsträgerlebensdauer (V) verkürzenden Verunreinigungen in das Trägermaterial (18, 42) erzeugt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Verunreinigung eine Golddotierung verwendet wird.

809815/0478

1
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß als Verunreinigung eine Platindotierung verwendet wird.

809835/CU78