DE2804443A1

DE2804443A1 - Gate-gesteuertes halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2804443A1
Application number: DE2804443A
Authority: DE
Inventors: Hans Werner Becke
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-02-07
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1978-08-10
Also published as: JPS5755302B2; IT7819601A0; GB1558840A; JPS5397785A; US4561008A

Description

Dr.-Ing. Reimar König ■ Dipl.-Ing. Klaus Bergen Cecilianallee VB A Düsseldorf 3O Telefon 452OOB Patentanwälte

31. Jan. 1978 32 062 B

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,

New York, N.Y. 10020 (V.St₀A.)

"Gate-gesteuertes Halbleiterbauelement"

Die Erfindung betrifft ein gate-gesteuertes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Hauptflächen, zwischen denen beginnend mit einer an die zweite Hauptfläche angrenzende Anodenzone des einen Leitungstyps eine Basis-, eine Steuer- und eine Kathodenzone abwechselnden Leitungstyps aufeinanderfolgen, wobei sich die Steuerzone bis zur ersten Hauptfläche erstreckt und die den zweiten Leitungstyp aufweisende Kathodenzone an die erste Hauptfläche angrenzt und sich in die Steuerzone hineinerstreckt, wobei weiterhin an den Grenzflächen zwischen den Zonen der Reihe nach erste, zweite und dritte PN-Übergänge gebildet sind, von denen der zwischen der Steuer- und der Kathodenzone befindliche dritte PN-Übergang an der ersten Hauptfläche zutage tritt, und wobei auf der Kathodenzone eine diese elektrisch kontaktierende Kathodenelektrode vorgesehen ist_o

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Bauelemente dieser Art, z.B. gesteuerte Siliziumgleichrichter, werden in großem Umfange in vielen Zweigen der Industrie verwendet. In dem Maße, wie die Nachfrage nach solchen Bauelementen ansteigt, vergrößert sich mehr und mehr das Interesse an über die Steuerelektrode bzw. das Gate abschaltbaren Bauelementen» Eine Schwierigkeit bei solchen Bauelementen, insbesondere bei für hohe Leistungen ausgelegten Bauelementen, besteht dabei darin, daß während des Abschaltvorganges oft fast der gesamte Durchlaßstrom zu relativ dünnen Plasmafäden hoher Dichte eingeschnürt wird_o Mit solchen hochdichten Plasmafäden sind hohe Temperaturen verbunden, so daß dadurch das Bauelement thermisch durchgehen kann, was oft zu seiner Beschädigung oder Zerstörung führte

Man hat daher schon einen Lastwiderstand am Ende der Kathodenzone integriert. Dieser Lastwiderstand wird im allgemeinen so angeordnet, daß er weiter von der Steuerzone entfernt ist als der übrige Teil der Kathodenzone. Diese Lage wird deshalb gewählt, weil der Strom infolge des Abschaltimpulses von der KaÜDdenzone weggeleitet und daher der Durchlaßstrom längs der Kathodenzone zum Ballastbereich hingezwungen, wird. Vermutlich wird der Plasmafaden in die Widerstandszone hinein abgelenkt und dort gelöscht, weil auf dieser Zone keine Kathodenmetallisierung vorgesehen ist»

Das bekannte Bauelement hat jedoch eine Reihe von Nachteilen. Beispielsweise wird für einen solchen Ballastwiderstand ein Bereich des Halbleiterscheibchens benötigt, der während des Durchlaßzustandes des Bauelementes unwirksam ist„ Der normale Strom im Durchlaßzustand des Bauelementes fließt nämlich nicht durch die Ballastzone, da dort eine diesen Stromfluß veranlassende Kathodenmetallisierung nicht vo-rgesehen ist« Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine Garantie dafür, daß

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sich das hochdichte Stromplasma vollkommen innerhalb der Widerstandszone ausbildet, nicht besteht_o Die Wahrscheinlichkeit nämlich, daß der Plasmafaden vollkommen hinein in die Widerstandszone und weg von der metallisierten Kathodenzone gezogen wird, ist recht unbestimmt,, Da nämlich auf der Widerstandszone eine Kathodenmetallisierung nicht vorgesehen ist, kann der Strom dazu neigen, sich an der Grenze zwischen dem metallisierten Bereich der Kathode und dem nicht-metallisierten Widerstandsbereich zu sammeln und einzuschnüren. Wegen der dabei auftretenden hohen Temperaturen können sich dann Schaden an der Grenze der Metallisierung ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art einen Ballast-, Streu- oder Defokussierbereich vorzusehen und so anzuordnen, daß dieser Bereich, der im folgenden als "Streubereich" bezeichnet wird, während des Durchlaßzustandes den Strom leitet, und daß sichergestellt ist, daß der beim Abschalten entstehende hochdichte Plasmafaden innerhalb des Streubereichs verläuft.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Kathodenelektrode einen Streubereich begrenzt und umgibt, und daß der Streubereich einen integralen Teil der Kathodenzone bildet.

Da die Kathodenelektrode den Streubereich umgibt, ist sichergestellt, daß der Durchlaßstrom auch durch den Streubereich fließt. Letzterer stellt also auch im Durchlaßzustand des Bauelements keinen vergeudeten Raum des Halbleiterkörpers dar. Beim Abschalten dagegen wird der fließende Strom von der Gate-Träger- bzw. Zünd-Zone weg in die Kathodenzone, also

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in deren Streubereich, hinein abgelenkt. In dem Maße, wie der Strom dabei eingeschnürt wird, steigt die Plasmadichte an, und das parallel zu der angrenzenden Hauptfläche des Halbleiterbauelements gerichtete elektrische Querfeld wird wesentlich. Mit dem Ansteigen des elektrischen Querfeldes wird der Strom innerhalb des Zentrums des Plasmafadens durch den integralen Widerstand des unmetallisierten Streubereichs reduziert mit der Folge, daß die Temperatur im Plasma undrlamit die Wahrscheinlichkeit für eine thermisches Durchgehen erheblich vermindert sind. Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement kann daher ein Abschalten über das Gate vorgenommen werden, ohne daß eine wesentliche Gefahr für eine Beschädigung infolge von hohen Temperaturen besteht.

Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungs-beispiels beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine nicht maßstabgetreue Draufsicht auf einen Teil des Halbleiterbauelements;

Fig. 2 einen Querschnitt des Bauelements gemäß Fig. 1 längs der Linie 2-2; und

Fig. 3 einen Ausschnitt von Fig. 1.

Das in der Zeichnung insgesamt mit 10 bezeichnete, erfindungsgemäße gate-gesteuerte Halbleiterbauelement besteht aus einem Halbleiterkörper 12 mit einer ersten Hauptfläche 14, der eine zweite Hauptfläche 16 gegenüberliegt. Beispielsweise kann der Halbleiterkörper 12 eine Dicke von etwa 125 Mikrometern haben und im wesentlichen quadratische Form mit Seitenlängen von etwa 0,4 cm aufweisen.

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An die zweite Hauptfläche 16 des Halbleiterkörpas 12 grenzt eine Anodenzone 18 des ersten Leitungstyps. z.B. P-Leit_ung, an. Anstelle der P-Leitung kann für die Anodenzone 18 auch N-Leitung vorgesehen sein, wenn die Leitungstypen aller anderen im folgenden beschriebenen Zonen ebenfalls umgekehrt werden.

Angrenzend an die Anodenzone 18 ist im Halbleiterkörper 12 eine Basiszone 20 des zweiten Leitungstyps, - also mit N-.Leitung - vorgesehen. An der Grenzfläche zwischen der Basiszone 20 und der Anodenzone 18 ist ein ersten PN-Übergang 22 gebildet. Wie weiter unten eingehender erläutert werden wird, erstreckt sich vorzugsweise die Basiszone 20 an mehreren Stellen 24 durch die Anodenzone 18 hindurch bis zu der zweiten Hauptfläche 16.

Auf die Basiszone 20 folgt im Halbleiterkörper 12 eine Gateoder Steuerzone 26 des ersten Leitungstyps, P-Leitung, die sich bis zu der ersten Hauptfläche 1A- erstreckt. An der Grenzfläche zwischen der Steuerzone 26 und der Basiszone 20 ist ein zweiter PN-Übergang 28 gebildet. Die Steuerzone 26 und die Anodenzone 18 sind durch die Basiszone 20 auf Abstand gesetzt.

Angrenzend an die erste Hauptfläche 14 ist eine Kathodenzone 30 vom zweiten Leitungstyp, N-Leitung, vorgesehen, die sich in die Steuerzone 26 hineinerstreckt und an der Grenzfläche mit dieser einen dritten PN-Übergang 32 bildet. Der dritte PN-Übergang 32 tritt durch die erste Hauptfläche 14. Obwohl die Kathodenzone 30 jede beliebige Form haben kann, z.B. kann sie kreisförmig, quadratisch oder ähnlich ausgebildet sein, hat die Kathodenzone 30 die vorzugsweise Form eines Kammes mit einem Kammrücken 34 und senkrecht davon abstehenden Zinken 36 hat. Das bedeutet, daß die am dritten PN-Übergang 32 an-

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einandergrenzende Zonen an der ersten Hauptfläche 14 ineinandergreifend erscheinen. Die Kathodenzone 30 kann aber auch aus einer Vielzahl von Einzelbereichen bestehen, welche durch eine Metallisierung elektrisch miteinander verbunden sein können.

Vorzugsweise umgibt eine Gate-Trigger-Zone bzw. Gate-Zünd-Zone 38 die Finger oder Zinken 36 der Kathodenzone 30 und erstreckt sich außerdem in die Gate-Zone bzw. Steuerzone 26 hinein. Für den Fall, daß die Kathodenzone 30 z.B. ringförmig ist, kann die Zünd-Zone 38 die Kathoden-Zone 30 entweder umschließen oder als einzelne Tasche innerhalb der Kathodenzone 30 angeordnet sein. Ein Kennzeichen der Zünd-Zone 38 ist es, daß diese zwar denselben Leitungstyp wie die Steuerzone 26 aber eine beträchtlich höhere Ladungsträgerkonzentration als diese aufweist.

Auf der Zünd-Zone 38 liegt eine als elektrischer Außenkontakt vorgesehene Steuerelektrode 40. Ferner liegt eine Anoden-Elektrode 42 als elektrischer Kontakt auf der Anoden-Zone 18 und jeder Stelle 24 der Basis-Zone 20, die sich bis zu der zweiten Hauptfläche 16 erstreckt.

In die Kathoden-Zone 30 ist Defokussier- bzw. Streubereich 44 integriert, der in Fig. 3 als Ausschnitt 3 von Fig. 1 mit gestrichelten Linien angedeutet worden ist. Der Streubereich ist vorzugsweise - wenn auch nicht notwendig - in dem geometrischen Schwerpunkt der Fläche der Kathoden-Zone 30 und um den Schwerpunkt herum angeordnet. Im vorher erläuterten Ausführungsbeispiel liegt der Streubereich 44 im geometrischen Schwerpunkt der Fläche jedes der Kathodenzinken 36 und um diesen Schwer-

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punkt herum. Grundsätzlich soll der Streubereich 44 in dem Bereich in dem bzw. um den geometrischen Schwerpunkt der jeweiligen Fläche liegen.

In Fig. 3 ist ein einzelner Kathoden-Finger bzw. eine einzelne Kathoden-Zinke 36 ohne Metallisierung vergrößert dargestellt. Die Kathoden-Zinke 36 hat die Form eines Trapezes mit einer gestrichelt gezeichneten ersten Grundlinie 46 von etwa 110 Mikrometern Länge und einer zweiten Grundlinie 48 von etwa 63 Mikrometern Länge. Der zugehörige Streubereich 44 ist längs der Mittellinie der Zinke 36 zentral angeordnet. In diesem Fall ist der StreubeieLch 44 als Dreieck geformt, welches eine Basis 50 von etwa 50 Mikrometern Länge und eine Höhe aufweist, die im wesentlichen gleich der Höhe des Trapezes der Zinke 36 ist. Die Fläche jedes Streubereichs 44 nach diesem Beispiel umfaßt etwa 28% des gesamten Bereiches jeder Kathoden-Zinke 36. Vorzugsweise und unabhängig von der Form des Streubereiches 44 und der Kathoden-Zone 30 nimmt der Streubereich 44 weniger als etwa 30% des Bereiches der Kathoden-Zone 30 ein.

Auf der Kathoden-Zone 30 liegt als elektrischer Kontakt eine Kathoden-Elektrode 52, die den Streubereich 44 begrenzt bzw. definiert und im wesentlichen vollkommen umgibt. Hit dem Ausdruck "im wesentlichen vollkommen umgibt" ist im vorliegenden Fall gemeint, daß die Kathoden-Elektrode 52 die Kathoden-Zone 30 auf mehr als 50% des Umfangs des Streubereichs 44 kontaktiert. Aus weiter unten eingehender erläuterten Gründen umgibt die Kathoden-Elektrode 52 den Streubereich 44 jedoch vorzugsweise ganz und gar. Zur einfacheren Herstellung kann die Kathoden-Elektrode 52 den Streubereich 44 überdecken, wenn diese Teile nur elektrisch gegeneinander i-söliert sind, z.B. mit Hilfe einer Schicht 54 aus Siliziumdioxid oder einem ähnlichen Isolator.

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Wie oben angegeben, erstreckt sich die Basis-Zone 20 vorzugsweise durch die Anoden-Zone 18 hindurch. Dabei fluchten die an die zweite Hauptfläche 16 heranreichenden Fortsetzungen der Basis-Zone 2.0 vorzugsweise im wesentlichen senkrecht mit jedem Streubereich 44.

Bei der weiteren Diskussion der Betriebsweise des Halbleiterbauelementes 10 werden folgende Spannungsverhältnisse vorausgesetzt: Es wird angenommen, daß die Kathoden-Elektrode 52 an Erdpotential liegt und daß die Anoden-Elektrode 42 demgegenüber positiv vorgespannt ist. Wenn dann - nach dem Regenerieren- ein positiver Impuls auf die Steuerelektrode 40 gegeben wird, beginnt das Bauelement 10, voll leitend zu werden, und der Steuerimpuls kann .weggenommen werden. Die Einzelheiten eines solchen Einschalt-Mechanismus sind bekannt und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß während des Durchlaßzustandes tatsächlich Strom durch den Streubereich 44 fließt, weil dieser relativ klein ist, d.h. er nimmt weniger als etwa 30% des Bereiches der gesamten Kathoden-Zone 30 ein, und weil der Streubereich 44 im wesentlichen vollkommen durch die Kathoden-Elektrode 52 umgeben ist. Der Streubereich 44 stellt daher auch im Durchlaßzustand des Bauelementes 10 keinen vergeudeten Raum dar.

Bei Beaufschlagen der Steuerelektrode 40 mit einem negativen Impuls wird das leitende Plasma von der Zünd-Zone 38 weggedrängt. Das heißt also, der leitende Strom beginnt sich einzuschnüren mit der Folge, daß bei einer die Kathoden-Zone 30 umgebenden Zünd-Zone 38 der leitende Strom in Richtung auf den zweidimensionalen geometrischen Schwerpunkt der Kathoden-Zone 30 abgelenkt wird. In dem Maße, in dem sich der leitende Strom einschnürt, nimmt die Plasmadichte zu und das elektrische

Querfeld, d.h. das elektrische Feld, welches im wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche 14 verläuft, wird
bedeutsam. Mit wachsendem elektrischen Querfeld beeinflußt
vermutlich der integrale Widerstand des nicht metallisierten Streubereichs 44 zunehmend den zu vermindernden Strom innerhalb des Plasmas im Zentrum des Plasmafadens. In dem Maße
also, wie sich das Plasma bildet, wird die Stromdichte im
Zentrum des Plasmafadens verglichen mit derjenigen an der
Peripherie durch den Einfluß des integralen Widerstandes des unmetallisierten Streubereichs 44 kleiner. Aus diesem Grunde wird die Temperatur in dem Streubereich 44 entscheidend herabgesetzt, entsprechend vermindert ist damit die Wahrscheinlichkeit für ein thermisches Durchgehen. Folglich kann das
Halbleiterbauelement ohne eine wesentliche Gefahr für eine
Beschädigung durch zu hohe Temperatuienüber den Steueranschluß bzw. das Gate abgeschaltet werden.

Zusätzlich zum vorbeschriebenen Mechanismus kann der gesamte Abschaltvorgang noch dadurch verbessert werden, daß die Basis-Zone 20 in Bereichen 24 die im wesentlichen vertikal mit den Streubereichen 44 fluchten, durch die Anoden-Zone 18 zur
zweiten Hauptfläche 16 fortgesetzt wird. Durch diesen Aufbau entsteht ein nicht-regenerativer Abschnitt der vertikal unterhalb des Streubereichs 44 liegt. Durch einen solchen nichtregenerativen Abschnitt wird ein schnelles Abschalten ermöglicht, weil der hochverdichtete im äreubereich 44 fließende
Plasmafaden den Löcherfluß von der Anoden-Zone 18 nicht
regeneriert und daher ein fortgesetztes Regenerieren bzw. eine fortgesetzte Paarbildung im wesentlichen unterbunden ist. In einem erfindungsgemäßen Bauelement 10 mit einem Streubereich 44 und einem nicht-regenerativen Abschnitt braucht daher nur der fließende Strom abgeschaltet zu werden, der während der

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Anfangsphase des Abschalt-Impulses fließt. Mit anderen Worten bedeutet das: wenn'erstder Plasmafaden fast vollständig innerhalb des Streubereichs 44 verläuft, hört das Regenerieren von Ladungsträgern im -wesentlichen auf und kommt kein weiterer Strom zu dem Faden.

Durch den erfindungsgemäßen Defokussierungs- oder Streubereich 44 wird nicht nur der Abschaltvorgang besser kontrollierbar, vielmehr kann ein solcher Streubereich 44 auch im Durchlaßbetrieb des Bauelementes 10 ausgenutzt werden. Durch die Gegenwart eines nicht-regenerierenden Abschnitts wird die zum Abschalten des Bauelementes 10 erforderliche Zeit verkürzt, und daß Bauelement 10 wird entsprechend widerstandsfähiger gegenüber relativ hohen Strömen. Außerdem ist das erfindungsgemäße Bauelement 10 wesentlich weniger gefährdet, infolge eines thermischen Durchgehens durchzubrennen.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

Gate-gesteuertes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Hauptflächen, zwischen denen beginnend mit einer an die zweite Hauptfläche angrenzende Anodenzone des einen Leitungstyps eine Basis-, eine Steuer- und eine Kathoden-Zone abwechselnden Leitungstyps aufeinanderfolgen, wobei sich die Steuer-Zone bis zur ersten Hauptfläche erstreckt und die den zweiten Leitungstyp aufweisende Kathoden-Zone an die erste Hauptfläche angrenzt und sich in die Steuerzone hineinerstreckt, wobei weiterhin an den Grenzflächen zwischen den Zonen der Reihe nach erste, zweite und dritte PN-Übergänge gebildet sind, von denen der zwischen der Steuer- und der Kathoden-Zone gebildete dritte PN-Übergang an der ersten Hauptfläche zutage tritt, und wobei ferner auf der Kathoden-Zone eine diese elektrisch kontaktierende Kathoden-Elektrode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden-Elektrode (52) einen Streubereich (44) begrenzt und umgibt, und daß der Streubereich (44) einen integralen Teil der Kathoden-Zone (30) bildet.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streubereich (44) vollkommen von der Kathoden-Elektrode (52) umgeben ist.

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3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Streubereich (44) etwa im Bereich des geometrischen Schwerpunktes der Fläche der Kathoden-Zone (30) liegt.
4. Bauelement nach einem oder mehrerer, der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Basis-Zone (20) an vertikal mit den Streubereich (44) fluchtenden Stellen (24) durch die Anoden-Zone (18) hindurch bis zu der zweiten Hauptfläche (16) erstreckt.
5. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden-Zone (30) die Form eines Kammes mit einem Kammrücken (34) mit mehreren davon abstehenden Zinken (36) besitzt und daß jeder Zinke (36) ei:: Streubereich (44) zugeordnet ist.
6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Streubereich (44) weniger als etwa 30% der Fläche jeder Zinke (36) einnimmt.
7. Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e kennzeichnet, daß sich die Basis-Zone (20) im wesentlichen senkrecht gegenüber jedem Streubereich (44) durch die Anoden-Zone (18) hindurch bis zu der zweiten Hauptfläche (16) erstreckt.
8. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Streubereich (44) weniger als etwa 30% der Fläche der Kathoden-Zone (30) einnimmt.

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9. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden-Elektrode (52) auf dem Streubereich (44) liegt aber diesem Bereich gegenüber im wesentlichen elektrisch isoliert ist.

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