DE2805813C3 - l.PT 23.02.84 Halbleiteranordnung SEMIKRON Gesellschaft für Gleichrichterbau u. Elektronik mbH, 8500 Nürnberg, DE - Google Patents

l.PT 23.02.84 Halbleiteranordnung SEMIKRON Gesellschaft für Gleichrichterbau u. Elektronik mbH, 8500 Nürnberg, DE

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DE2805813C3 DE19782805813 DE2805813A DE2805813C3 DE 2805813 C3 DE2805813 C3 DE 2805813C3 DE 19782805813 DE19782805813 DE 19782805813 DE 2805813 A DE2805813 A DE 2805813A DE 2805813 C3 DE2805813 C3 DE 2805813C3
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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der aus wenigstens zwei, mit ihren äußeren Zonen jeweils eine gemeinsame Oberfläche zur Kontaktierung des Halbleiterkörpers bildenden Schichtenfolgen mit jeweils wenigstens einem pn-Übergang besteht und der auf jeder gemeinsamen Oberfläche jeweils mindestens eine Laststromelektrode sowie bei Schichtenfolgen für steuerbare Halbleiterbauelemente an deren jeweils funktionsbestimmter Basiszone eine Steuerelektrode aufweist, und bei dem die Schichtenfolgen zur gegenseitigen strommäßigen Entkopplung jeweils durch einen den Halbleiterkörper von einer der gemeinsamen Oberflächen aus wenigstens teilweise durchsetzenden Volumenabschnitte getrennt sind.
Eine derartige Halbleiteranordnung ist aus der DE-OS 22 61 666 bekannt.
Durch die Entwicklung der Halbleitertechnologie sind Halbleiterkörper mit mehreren Funktionsbereichen und Schichtenfolgen für gleiche oder unterschiedliche Funktionen hsrsteübar. Damit wird auch den Forderungen der Anwender nach Halbleiteranordnungen mit immer wirtschaftlicherer Herstellung und geringerem Raumbedarf entsprochen.
Grenzen in einem Halbleiterkörper Funktionsbereiche aneinander, so können je nach Aufbau und Anwendungsfall Ladungsträger aus dem einen Funktionsbereich in den anderen diffundieren. Bei einer entsprechend anliegenden Spannung entstehen durch diese strommäßige Kopplung der Funktionsbereiche unerwünschte Schaltvorgänge. Bei Leistungshalbleiterbauelementen wird dies am Beispiel eines Zweirichtungsthyristors besonders deutlich. Ist eine der beiden aneinandergrenzenden Schichtenfolgen gezündet, d. h. mit Ladungsträgern überschwemmt, so entsteht von dort insbesondere im Gebiet der niedrig dotierten Mittelzone eine Bewegung von Minoritätsladungsträgern, aufgrund ihrer in dieser Zone dotierungsbedingt höheren Diffusionslänge, in den nichtgezündeten benachbarten Funktionsbereich. Die dort derart entstehende Ladungsträgeransammlung kann nach Kommutierung des leitenden Zustandes in diese Schichtenfolge bei entsprechendem Spannungsanstieg zu einer unerwünschten, vorzeitigen Durchschaltung ohne Steuerimpuls und damit zum Verlust der Schalt- und Steuerbarkeit der Anordnung führen. Durch diese Erscheinung ist demzufolge die kritische Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Kommutieren von einer der beiden Durchlaßphasen zur anderen begrenzt.
In entsprechender Weise kann bei einem Halbleiterkörper, der einen Funktionsbereich für einen Thyristor ,und einen weiteren Funktionsbereich für eine Gleichrichterdiode aufweist, durch Bewegung von Ladungsträ- | gern aus dem Funktionsbereich der Gleichrichterdiode * bei durchgeschaltetem Zustand derselben in den Funktionsbereich des Thyristors bei gesperrtem Zustand desselben ein unerwünschtes vorzeitiges Durchschalten des Thyristors eintreten.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten, d.h. zur strommäßigen Entkopplung der Funktionsbereiche, ist es aus der DE-OS 22 61 666 bekannt, durch Eindiffundieren von Schwermetallionen, vorzugsweise von Gold, in einem Volumenabschnitt zwischen den Funktionsbereichen eines Zweirichtungsthyristors eine sogenannte Diffusionsbarriere herzustellen. Dadurch wird zwar die · gewünschte Entkopplung erreicht, jedoch sind damit auch die Nachteile einer unerwünschten Erhöhung der Zündwerte und des Durchlaßspannungsabfalls einer solchen Halbleiteranordnung verbunden. Weiterhin ist durch die hohe Diffusionsneigung von Gold in Silizium eine unkontrollierte Ausbreitung der Schwermetallionen in die beiden Funktionsbereiche gegeben.
Es kann weitergehend auch die Notwendigkeit bestehen, zwei oder mehr Funktionsbereiche, die jeweils getrennten Schaltkreisen zugeordnet sind, jedoch in einem Halbleiterkörper in unterschiedlicher gegenseitiger räumlicher Zuordnung ausgebildet sind, strommäßig zu entkoppeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Halbleiteranordnungen zu schaffen, bei denen aneinandergrenzende Funktionsbereiche des Halbleiterkörpers mit gleicher oder unterschiedlicher Funktion und in Zuordnung zu jeweils gemeinsamen oder unterschiedlichen Schaltkreisen ohne Beeinträchtigung der Parameter der Bereiche strommäßig derart entkoppelt sind, daß die jeweilige Wirkungsweise des einen Funktionsbereiches unabhängig vom Ladungszustand des anderen ist
Die Lösung der Aufgabe besteht bei der eingangs genannten Halbleiteranordnung erfindungsgemäß darin, daß der Volumenabschnitt durch Elektronenbestrahlung erzeugte Kristallgitterstörstellen aufweist
Die Dicke des Voiumenabschnitts entspricht vorzugsweise der ein- oder mehrfachen Diffusionsiänge der Ladungsträger nach der Bestrahlung.
Der Volumenabschnitt kann aus zwei oder mehr sich verzweigenden Teilen, die an den Grenzbereichen der Schichtenfolgen verlaufen, bestehen.
Weiterhin können im Halbleiterkörper zwei oder mehr Volumenabschnitte vorgesehen sein.
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Nun ist es aus einer Arbeit von in de« Jahresmitteilungen 1977 der IEEE Industry application society, Seiten 648—655 bekannt geworden, die Lebensdauer von Ladungsträgern in Kalbleiterbauelementen durch Elektrcnenbestrahlung einzusteilen. Dort wird aber der Halbleiterkörper ganzflächig bestrahlt, wobei in unerwünschter Weise verschiedene Parameter, insbesondere die Zündwerte und auch der Durchlaßspannungsabfali, verändert werden. Diese Maßnahme kann somit keine Lösung der vorliegend genannten Aufgabe sein.
Aus der DE-OS 26 22 193 ist eine Halbleiteranordnung bekannt, bei welcher der eine integrierte Struktur aus Hauptthyristor, Hilfsthyristor und einer Diode aufweisende Halbleiterkörper im Bereich der Diode durch Elektronenbestrahlung erzeugte Kristallgitterstörstellen aufweist, um den Stromverstärkungsfaktor eines Teiltransistors der Thyristorstruktur zu senken.
Anhand der in den F i g. 1 bis 3 dargestellen Ausführungsbeispiele wird der Gegenstand der Erfindung aufgezeigt und erläutert.
F i g. 1 zeigt im Querschnitt eine Anordnung mit je einer Schichtenfolge für einen Thyristor und für eine Gleichrichterdiode.
In Fig.2 ist in perspektivischer Darstellung schematisch ein Aufbau für einen Zweirichtungsthyristor gezeigt, und in
F i g. 3 ist in Draufsicht die Anordnung mehrerer aus einem oder mehreren Teilen bestehenden Volumenabschnitte dargestellt Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt
Bei einem Aufbau des Halbleiterkörpers gemäß der Darstellung in F i g. 1 bildet die aus vier schichtförmigen Zonen abwechselnden Leitungstyps, nämlich einer hochohmigen, η-leitenden, mittleren Zone 1, je einer an deren beiden Seiten angrenzenden, höher dotierten, p-leitenden Zone 2 und 3 und einer in die Basiszone 2 vertieft angeordneten, hochdotierten, n-!e'itenden Zone 4 bestehende Schichtenfolge eine Thyristorstruktur mit der Steuerelektrode 9, 19. Die Zonen 1 und 2 dieser Struktur sind gleichzeitig auch Zonen der Gleichrichterdiodenstruktur, welche außerdem noch die hochdotierte, η-leitende Zone 31 aufweist Beide Strukturen sind durch die Laststromelektroden 7, 17 und 8, 18 gemeinsam kontaktiert und durch den Volumenabschnitt 10 getrennt, welcher durch Elektronenbestrahlung erzeugte Kristallgitterstörstellen aufweist Der Volumenabschnitt 10 durchsetzt die Schichtenfolge zumindest in einer solchen Tiefe, daß zur Vermeidung der unerwünschten Ladungsträgerbewegung zwischen beiden Funktionsbereichen in seinem Verlauf von einer Hauptfläche aus auch die mittlere, hochohmige Zone 1 einbezogen ist. Die Dicke des Volumenabschnitts ist insoweit wählbar, als sie in seinem ganzen Verlauf wenigstens die Diffusionslänge der Ladungsträger nach der Bestrahlung beiragen soll. Dieser Wert ist empirisch feststellbar und gehört nicht zum Gegenstand der Erfindung. Die Anzahl der Kristallgitterstörstellen wird durch die Dosis der Elektronenbestrahlung bestimmt Mit einer Dosis im Bereich 3 χ 10" Us 5 χ ΙΟ16 Elektronen pro cm2 und mit einer Bestrahlungsenergie
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55 von circa 0,5 bis 3 MeV sind vorteilhafte Anordnungen gewährleistet. Der Querschnitt des Volumenabschnitts 10 entspricht im wesentlichen an jeder Stelle dem zu bestrahlenden Oberflächenabschnitt.
Fig.2 zeigt den Aufbau eines Zweirichtungsthyristors »nit jeweils vier antiparallel^n Schichtenfolgen abwechselnden Leitungstyps 2,1,3,5 bzw. 3,1,2,4, die durch den Volumenabschnitt 10 getrennt sind und die gemeinsame Laststromelektroden 7, 8 sowie die Steuerzone 14 und die gemeinsame Steuerelektrode 9 aufweisen. Der Volumenabschnitt 10 kann sich in seiner Länge durch den ganzen Halbleiterkörper erstrecken. Eine besondere Ausführungsform kann darin bestehen, daß der Volumenabschnitt durch Vorgabe der Maskierung abhängig von der jeweils erforderlichen Flächengeometrie, z. B. bei Anordnung von Steuerelektroden, eine gewünschte Längsausdehnung aufweist und, wie in F i g. 2 gezeigt, nur bis zur Steuerelektrode 9 oder einer gegebenenfalls mit dieser verbundenen Steuerzone 14 verläuft.
Wie in Fig.3 dargestellt, kann bei Erfordernis beliebiger Schichtenfolgen in Halbleiterkörpern der Volumenabschn'itt 11 aus mehreren gegebenenfalls in unterschiedlicher Richtung verlaufenden Bereichen 11a bestehen, bzw. sind mehrere, voneinander getrennte Volumenabschnitte 10 innerhalb eines Halbleiterkörpers herstellbar, wordurch jeweils die Funktionsbereiche entsprechend der Schichtenfolgen d bis g bzw. a bis c des Halbleiterkörpers strommäßig entkoppelt sind. Durch optimal angepaßte Ausbildung und Anordnung von Volumenabschnitten ist somit die strommäßige Entkopplung von Schichtenfolgen beliebiger Strukturen in Halbleiterkörpern möglich.
Zur Herstellung des gewünschten Volumenabschnitts wird die zu bestrahlenden Oberfläche, d. h. eine der Hauptflächen des Halbleiterkörpers, mit einer vorzugsweise aus Metall bestehenden Maske abgedeckt. Z. B. kann eine Maske aus beweglichen Teilen verwendet werden, deren Begrenzungskanten für Volumenabschnitte mit unterschiedlicher Ausdehnung verstellbar sind. Dann wird die Anordnung einer Elektronenbestrahlung mit einer Dosis im oben angegebenen Bereich ausgesetzt, indem die maskierten und die nicht markierten Flächenabschnitte gleichzeitig bestrahlt werden. Dadurch können jedoch auf der den Schichtenfolgen zugewandten Flächenteilen der Maske nicht erwünschte Sekundärelektronen erzeugt werden. Zur Vermeidung dieser Erscheinung kann die Bestrahlung auch ohne Maskierung der Halbleiteroberfläche mit Hilfe eines in an sich bekannter Weise gebündelten und gezielt über den vorgesehenen Flächenabschnitt geführten Elektronenstrahls erfolgen.
Der Vorteil der Anordnung von Volumenabschnitten mit durch Elektronenbestrahlung erzeugten Kristallgitterstörstellen besteht darin, daß die strommäßige Entkopplung benachbarter Funktionsbereiche ohne Beeinträchtigung weiterer Parameter auf fertigungstechnisch wirtschaftlichstem Wege und in nach Verlauf und Ausdehnung gewünschter Weise erzielbar ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der aus wenigstens zwei, mit ihren äußeren Zonen jeweils eine gemeinsame Oberfläche zur Kontaktierung des Halbleiterkörpers bildenden Schichtenfolgen mit jeweils wenigstens einem pn-Übergang besteht, unr1 der auf jeder gemeinsamen Oberfläche jeweils mindestens eine Laststromelcktrode sowie bei Schichtenfolgen für steuerbare Halbleiterbauelemente an deren jeweils funktionsbestimmter Basiszone eine Steuerelektrode aufweist, und bei dem die Schichtenfolgen zur gegenseitigen strommäßigen Entkopplung jeweils durch einen den Halbleiterkörper von einer der gemeinsamen Oberflächen aus wenigstens teilweise durchsetzenden Volumenabwihnitt getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenabschnitt (10, 11) durch Elektronenbestrablung erzeugte Kristallgitterstörstellen aufweist
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Volumenabschnitfs der ein- oder mehrfachen Diffusionslänge der Ladungsträger nach der Bestrahlung entspricht
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenabschnitt (11) aus zwei oder mehr sich verzweigenden Teilen (Wa) besteht die an den Grenzbereächen der Schichtenfolgen (db'is g) verlaufen.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper zwei oder mehr Volumenabschnitte (10) vorgesehen sind.
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