DE2824133C2

DE2824133C2 - Feldgesteuerter Thyristor

Info

Publication number: DE2824133C2
Application number: DE2824133A
Authority: DE
Inventors: Kenji Katsuta Miyata; Masayoshi Naito; Takuzo Ogawa; Masahiro Hitachi Okamura; Yoshio Teresawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-06-08
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1984-04-12
Also published as: FR2394175A1; JPS542077A; DE2824133A1; FR2394175B1; JPS5751981B2; US4223328A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (32) einen an die erste Halbleiterschicht (31) angrenzenden ersten Teil (321) und einen an den ersten Teil (321) angrenzenden, eine höhere Störstellenkonzentration als dieser aufweisenden zweiten Teil (322) umfaßt, und daß jeder streifenförmige Teil (341) des Gate-Bereichs (34) auf der Grenze des ersten mit dem zweiten Teil (321,322) der zweiten Halbleiterschicht (32) liegt, die dritte Halbleiterschicht (33) in Projektion auf die zweite Hauptoberfläche (102) teilweise überlappt, und von der Seite der zweiten Hauptoberfläche (102) her durch eine Gate-Elektrode (4) kontaktiert ist ( Fig. IA).

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Störstellenkonzentration in den streifenförmigen Teilen (341) des Gate-Bereichs (34) unter 5 χ 10^l8cm-³ liegt.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verkürzung der Lebensdauer der Ladungsträger in das Substrat (1) eingebracht sind.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verkürzung der Lebensdauer der Ladungsträger aus Goldatomen oder aus durch radioaktive Strahlen hervorgerufenen Gitterdefekten bestehen.

5. Thyristor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lebensdauer der Ladungsträger in dem die Projektion der dritten Halbleiterschicht (33) auf die erste Hauptoberfläche (101) überdeckenden Teil des Substrats (1) größer ist als im übrigen Teil des Substrats (Fig. 8A).

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (32) einen dritten Teil (321 b) des zweiten Leitungstyps aufweist, der zwischen dem ersten Teil

J zweiten Halbleiterschicht (32) und der ersten Halbleiterschicht (31) liegt und eine höhere Störstellenkonzentration hat als der erste Teil (32IaJ (Fig. 9A).

7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Halbleiterschicht (31) und der ersten Hauptelektrode (2) eine polykristalline Halbleiterschicht (100) des ersten Leitungstyps vorgesehen ist ( F i g. IO).

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (4) am Boden von Nuten (60) ausgebildet ist, die von der zweiten Hauptoberfläche (102) her bis jeweils zu den streifenförmigen Teilen (341) des Gate-Bereichs (34) eingeschnitten sind (F i g. 6).

9. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (31) des ersten Leitungstyps teilweise durch Halbleiterbereiche (312, 313) des zweiten Leitungstyps ersetzt ist ( F i g. 7).

Die Erfindung bezieht sich auf einen feldgesteuerten Thyristor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus IEEE Trans. El. Dev. F.D-23 (1976) Nr. 8, Seiten 905 bis 911 bekannten Art.

Der vergrabene Gate-Bereich des in obiger Druckschrift als »Field Terminated Diode« beschriebenen und in der F i g. 1B dieser Druckschrift dargestellten feldgesteuerten Thyristors ist, wie auf der Seite 907 ausgeführt, von der Peripherie des Halbleitersubstrats her kontaktiert. Als Folge des Spannungsabfalls über die Länge der streifenförmigen Gate-Bereiche hat dieser Thyristor eine verhältnismäßig schlechte Sperrspannungsverstärkung in Durchlaßrichtung, außerdem ist ein Ausschalten unter Strombelastung praktisch nicht möglich, so daß er für Schaitzwecke nicht gut geeignet ist.

In der DEOS 27 27 405, die auf eine ältere Anmeldung zurückgeht, ist ein feldgesteuerter Thyristor vorgeschlagen worden, der eine vcn einer Hauptoberfläche her kontaktierte Gatestruktur aus streifenarligen eingebetteten Teilen aufweist. Dieser Thyristor hat jedoch eine ungünstige Einschaltcharakteristik, insbesondere lange Einschaltzeiten und hohe Einschalt-Leistungsverluste.

Aufgabe der Erfindung ist es demzufolge, einen feldgesteuerten Thyristor zu schaffen, mit dem ein leichtes Einschalten bei geringen Einschalt-Leistungsverlusten erreicht wird, die Strombelastbarkeit hoch ist und große Ströme leicht und mit hoher Geschwindigkeit ausgeschaltet werden können.

Ausgehend von einem feldgesteuerten Thyristor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch diese Merkmale w.rd ein leichtes Einschalten mit geringen Einschalt-Leistungsverlusten, und eine hohe Strombelastbarkeit erreicht, und es werden große Ströme leicht und mit hoher Geschwindigkeit ausgeschaltet.

Bevorzugte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 9.

Einige Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. IA eine perspektivische Querschnittsansicht eines feldgesteuerten Thyristors,

F i g. 1B die Draufsicht auf den Thyristor der F i g. 1 A,

Fig. IC in vergrößertem Maßstab einen Hauptbereich des Thyristors der F i g. 1A,

Fig.2 das Profil der Störstellenkcnzentration des feldgesteuerten Thyristors der Fi a. I,

F i g. 3 d'e Abhängigkeit der Konzentration der vom η ■'■-leitenden Kathodenbereich injizierten Elektronen vom Diodenstrorn, wenn der feldgesteverte Thyristor der F i g. 1 eingeschaltet wird,

Fig.' die Anodenstromkennlinie in Abhängigkeit von dem in Durchlaßrichtung des Thyristors auftretenden Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand, Parameter ist die Störsiellenkonzentration des zweiten Teils der zweiten Halbleiterschicht,

Fig.5 das Profil der Elektronenkonzentration des feldgesteuerten Thyristors der F i g. 1 im eingeschalteten Zustand und

F i g. 6 bis 10 weitere Ausführungsformen des feldgesteuerten Thyristors bzw. die zugehörigen Kennlinien.

Bei dem feidgesteuerten Thyristor der Fig. IA enthält das Halbleitersubstrat 1 angrenzend an die erste Hauptoberfläche 101 einen durchgehenden p+-leitenden Anodenbereich 31 sowie einen angrenzend an den Anodenbereich 31 ausgebildeten η-leitenden Basisbereich 32, wobei diskrete Teile desselben zur zweiten Hauptoberfläche 102 hin frei liegen, und angrenzend an den η-leitenden Basisbereich 32 ausgebildete p-leitende Gatebereiche 34, die längs der freiliegenden Teile der n+-leitenclen Katodenbereiche 33 zur zweiten Hauptoberfläche 102 freiliegen.

Jeder Gatebereich 34 besteht aus einem ersten scheibenförmigen Teil 341, der in den Basisbereich 32 parallel zu den Hauptoberflächen eingelassen ist und einen zweiten Bereich 342 der zur zweiten Hauptoberfläche 102 verläuft, an dieser frei liegt und eine höhere Störstellenkonzentration hat als der erste Bereich 341. Die ersten scheiben- oder plattenförmigen Bereiche 341 haben Spalten unterhalb der η+ -leitenden Katodenbereiche 33, die als Kanäle bezeichnet werden. Der n-leitende Basisbereich 32 besteht aus einem ersten Bereich 321, der sich vom p ⁺ -leitenden Anodenbereich 31 bis zu den Kanälen erstreckt, und aus zweiten Bereichen 322, die sich von den Kanälen bis zur zweiten Hauptober'läche 102 und den Katodenbereichen 33 erstrecken. Die Störstellenkonzentration der zweiten Bereiche 322 ist höher als die des ersten Bereichs 321.

Ein Anodenanschluß 2, ein Katodenanschluß 3 und ein Gateanschluß 4 sind auf den freiliegenden Oberflächen des Anodenbereichs 31, der Katodenbereiche 33 bzw. der zweiten Teile 342 der Gatebereiche 34 ausgebildet. Nach der Draufsicht der F i g. 1B greifen die Katoden- und Gateanschlüsse 3 bzw. 4 auf der zweiten Haupteberfläche 102 des feidgesteuerten Thyristors (im folgenden kurz als Thyristor bezeichnet) bei diesem Ausführungsbeispiel kammartig ineinander. Die F i g. 1B und IC zeigen weiter einen Oberflächen-Passivierungsfilm 5 aus S1O2, der in F i g. 1A weggelassen ist.

Der vorstehend beschriebene Thyristor wird etwa folgendermaßen hergestellt: Zunächst wird durch Eindiffundieren von Boratomen in ein η-leitendes Siliziumplättchen mit einem spezifischen Widerstand von 50 Ohm · cm und einer Stärke von etwa 220 μηι von ei.ier Haiiptoberfläche desselben aus bis zu einer Tiefe von etwa 50 μηι ein p—leitender Anodenbereich 31 gebildet. Von der zweiten Hauptoberfläche werden bis zu einer Tiefe von etwa 15 μίτι nochmals Boratome selektiv in das Silii-iumplättchen eindiffundiert. Die selektiv diffundierten Bereiche werden als die ersten Teile 341 der Gatebereiche 34 verwendet Darauf wird auf dem gesamten Teil der zweiten Hauptoberfläche 102 eine n-leitende Halbleiterschicht mit einer Stärke von etwa 20 μπα und einer Störstellenkonzentration von etwa 1 χ 10¹⁵ cm-³ epitaktisch aufgebracht. Danach wird das Plättchen einer Temperatur ausgesetzt, die höher ist als die bei der epitaktischen Behandlung angewandte, so daß verhindert wird, daß die angrenzenden selektiv diffundierten Bereiche in Folge Selbstdotierung überbrückt werden. Die zweiten 1 eile 342 der p-ieitenden Gatebereiche werden gebildet, indem von der Oberfläche der η-leitenden epitaktischen Schicht an den den Mitten der ersten Teile 341 der ρ+-leitenden Gatebereiche 34 entsprechenden Stellen Boratome eindiffundiert werden. Infolge der Wärmebehandlung zur Diffusion der zweiten Teile 342 wird die Stärke der ersten Teile 341, die etwa 15 μίτι betrug, nun auf etwa 40 μπι erhöht, und die Kanäle haben eine Breite von etwa 5 μπι. Durch selektives Eindiffundieren von Phosphoratomen in die Oberfläche der n-leitenden Schicht längs der freiliegenden zweiten Teile der p-leitenden Gatebereiche bis zu einer Tiefe von 3 μΐη werden η + -leitende Katodenbereiche 33 gebildet. Schließlich werden auf den freiliegenden Oberflächen des ρ+ -leitenden Anodenbereichs 31, der η+ -leitenden Katodenbereiche 33 und der zweiten Teile 342 der p-leitenden Gatebereiche 34 ein Anodenanschluß 2, ein Katodenanschluß 3 und ein Gateanschluß 4 gebildet. In Fig.2 sind die Änderungen der Störstellenkonzentrationen im Thyristor als eine Ausführungsform der Erfindung in x- und y-Richtung der F i g. 1 durch ausgezogene bzw. gestrichelte Linien dargestellt. Das aus Fig. 2 ersichtliche besondere Merkmal besteht darin, daß die Störstellenkonzentration im ersten Teil 341 des p-leitenden Gatebereichs mit steigendem Abstand vom Katodenbereich 33 in einem Intervall allmählich ansteigt und daß die Störstellenkonzentration unterhalb von 1 χ 10¹⁸ cm-³ liegt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Herstellung eines Thyristors und die Abmessungen der einzelnen Teile desselben sowie die Störstellenkonzentrationen keineswegs auf die vorstehend beschriebenen beschränkt sind. Beispielsweise kann als Ausgangsmaterial ein p + -leitendes Plättchen verwendet werden und auf dieses eine n-!eitende Halbleiterschicht epitaktisch aufgewachsen werden, wobei die η-leitende Halbleiterschicht dem nleitenden Si-Plättchen des vorstehenden Ausführungsbeispiels entspricht.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Thyristors vom Einschalten über den eingeschalteten Zustand bis zum Gate-Ausschalten erläutert. Das Ausführungsbeispiel der F i g. 1 hat die beiden folgenden Hauptauswirkungen bzw. Vorteile:

1. die Ein- und Ausschaltzeiten sind kurz und
2. die beim Einschalten verbrauchte Schaltleistung ist gering.

Diese Vorteile ergeben sich aus der im folgenden beschriebenen Arbeitsweise. Zum Einschalten des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels des Thyristors muß der zum Ausschalten des Thyristors verwendete Gatekreis geöffnet und zwischen Anodenanschluß 2 und Katodenanschluß 3 eine Spannung angelegt werden, wobei Anoden- und Katodenanschluß 2 bzw. 3 auf einem positiven bzw. negativen Potential gehalten werden. Sobald die Spannung angelegt ist, fließt in Durchlaßrichtung ein Strom /« einer p^n- nn + -Diodc, uie aus dem Anodenbereich 31, dem ersten Teil 321 ues Basis-

bereichs 23, dem zweiten Teil 322 des Basisbereichs 32 und dem Katodenbereich 33 besteht, durch die Kanäle. Zu diesem Zweck ist es vorzuziehen, ein Einschnüren der Kanäle durch die Potentialsperren in Folge des Diffusionspotentials zwischen den ersten Teil 341 des Gatebereichs 34 und dem ersten Teil 321 des Basisbereichs 32 sowie zwischen dem ersten Teil 341 und dem zweiten Teil 322 des Basisbereichs zu verhindern. Der Einschnür-Effekt kann verhindert werden, wenn die Störstellenkonzentration in den jeweiligen Bereichen und die Kanalbreite des Thyristors in geeigneter Weise gewählt wird. Bei der hier behandelten Ausführungsform tritt dieser unerwünschte Einschnür-Effekt nie auf.

F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Anodenstromdichte id und der Konzentration der vom Katodenbereich 33 in den Basisbereich 32 injizierten Elektronen. Gemäß F i g. 3 werden Elektronen mit einer Konzentration von mehr als 1 χ 10¹⁶cm³ bei einem Strom von Zd= 10 A/cm² injiziert. Vom Anodenbereich 31 werden Träger mit positiver Ladung (d. h. Löcher) injiziert, deren Anzahl fast gleich ist der der Elektronen. Diese injizierten Träger fließen durch Diffusion und Drift in die jeweiligen Bereiche oder Teile eines n+npn~ p + Thyristors, der aus dem Katodenbereich 33, dem zweiten Teil 322 des Basisbereichs 32, dem ersten Teil 341 des Gatebereichs 34, dem ersten Teil 321 des Basisbereichs 32 und dem Anodenbereich 31 besteht, wobei der η⁺ npn-ρ+ -Thyristor angrenzend an die oben erwähnte n + nn-p + -Diode angeordnet ist. In Folge dessen schaltet der η+ npn~ ρ+ -Thyristor sehr schnell in einen stark leitfähigen Zustand. Die Stromdichte i'd~ 10 A/cm² erweist sich als sehr klein, verglichen mit der mittleren Stromdichte von 100 bis 200 A/cm² einer normalen Diode. Andererseits ist die Elektronenkonzentration mit 1 χ 10¹⁶ cm-³ verhältnismäßig groß, da die zum Ein- und Ausschalten eines normalen pnpn-Thyristors erforderliche Trägerkonzentration etwa IxIO¹⁴Cm-³ beträgt. Der feldgesteuerte Thyristor gemäß F i g. 1 schaltet somit leicht ein, wobei der Schaltvorgang in sehr kurzer Zeit vollendet ist. Die Einschaltzeit eines Thyristors gemaß Fig.! betrug 1,43 μ$. Im n-!eitenden Basisbereichs 32 des Thyristors gemäß F i g. 1 ist die Störstellenkonzentration des zweiten Teils 322 höher als die des ersten Teils 321. Dieser Aufbau hai die folgenden Vorteile. In dem ersten Teil 341 des Gatebereichs 34, in dem die Störstellenkonzentration mit dem Abstand vom Katodenbereich ansteigt, wird ein von der Katode zur Anode gerichtetes elektrisches Feld erzeugt. Dieses elektrische Feld drückt die vom Katodenbereich 33 in den ersten Teil 341 des Gatebereichs über den zweiten Teil 322 des Basisbereichs fließenden Elektronen zurück. Wenn daher die Störstellenkonzentrationen im ersten und zweiten Teil 321 bzw. 322 des Basisbereichs in der gleichen Größenordnung liegen, wird die Einschaltzeit lang, und der Verlust an Schaltleistung zum Einschalten ist beträchtlich. Das elektrische Feld wird dadurch, daß die Störstellenkonzentration im zweiten Teil 32 des n-leitenden Basisbereichs höher ist als die im ersten Teil 321 desselben, verringert, so daß der Verlust an Schaltleistung beim Einschalten vermindert werden kann.

F i g. 4 zeigt die Anodenstromkennlinie von Thyristoren mit verschiedenen Störstellenkonzentrationen im zweiten Teil der zweiten Halbleiierschicht in Abhängigkeit von dem in Durchlaßrichtung des Thyristors auftretenden Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand. Die Störstellenkonzentration im ersten Teil 321 des Basisbereichs 32 liegt bei 1 χ IO¹⁴ cm-³ fest Die Kurven A, B, C, D und £ in F i g. 4 zeigen die Kennlinien bei Störstellenkonzentrationen im zweiten Teil 322 des Basisbereichs 32 von 1 χ 10^Mcm-³, 1 XtO¹⁵Cm-³,1 χ 10¹⁶Cm-³, IxIO¹⁷Cm-³ und lxl0^l8cm-³. Das Diagramm zeigt, daß der Spannungsabfall für Anodenströme bis zu 10 A bei der Kurve A verhältnismäßig hoch ist. Dagegen ist bei Thyristoren der beschriebenen Art der Spannungsabfall bei kleinem Anodenstrom entsprechend den Kurven B bis E verhältnismäßig gering. Die als Haltestrom bezeichnete Anodenstromdichte am Beginn der Kurven zeigt bei Kurve A einen hohen negativen Widerstand, bei Kurve B ist der negative Widerstand bereits deutlich kleiner, und bei den Kurven C bis E existiert kein Bereich negativen Widerstandes mehr.

Diese Tatsachen zeigen die Leichtigkeit des Einschaltens. Die große Durchlaßspannung bei niedrigem Anodenstrom in Kurve A behindert das Einschalten eines üblichen η+ npn-ρ+ -Thyristors, so daß es zu großen Schaltleistungsverlusten kommt. Die Einschaltzeit beträgt bei Kurve 1 etwa 8 μβ, nimmt bei Kurve 2 auf etwa 4 μ5 und bei Kurve 3 weiter auf etwa 2 μ5 ab. Der Einschaltleistungsverlust bei Kurve A beträgt etwa das Dreifache des Leistungsverlustes bei Kurve B.

Im leitenden Zustand des Thyristors fließt Strom durch den n + nn-p + -Diodenbereich und den n+npn~- p+-Thyristorbereich, wobei der η ⁺ npn~ ρ + -Thyristorbereich größer ist als der η + nn- p⁺-Diodenbereich.

F i g. 5 zeigt die Profile der Elektronenkonzentrationen im Thyristorbereich im leitenden Zustand bei Stromclichten von 600 und 168 A/cm². Zum Vergleich ist in F i g. 5 gestrichelt das Elektronenkonzentrationsprofil eines herkömmlichen, nur nach dem Diffusionsverfahren hergestellten Thyristors im leitenden Zustand bei einer Stromdichte von 600 A/cm² dargestellt. Vorteilhaft ist, daß die Elektronenkonzentration innerhalb des ersten Teils 341 des Gatebereichs 34 ein Minimum aufweist. Damit die n⁺npn-p+-Anordnung wirksam als Thyristor arbeiten kann, ist die Störstellenkonzentration im ersten Teil 341 des Gatebereichs vorzugsweise niedriger als 5 χ 10¹⁸ cm-³.

Zum Ausschalten des Thyristors muß zwischen Katoden- und Gateanschluß 3 bzw. 4 eine Gate-Verspannung angelegt werden, wobei die Katode auf positives und das Gate auf negatives Potential zu legen ist. Unmittelbar nach dem Anlegen der Gate-Vorspannung fließen die im eingeschalteten Zustand vom Anodenbereich 31 zum Katodenbereich 33 geflossenen Löcher in den Gatebereich. Die Elektronen, die vom Katodenbereich 33 zum Anodenbereich 31 flössen, fließen nun infolge der Diffusion schnell in den Teil des ersten Teils 341 des Gatebereichs, wo die Elektronendichte am geringsten ist. Da die Störstellenkonzentration im Gatebereich verhältnismäßig hoch isi, äst die Lebensdauer der Träger mit 0,5 bis 1 μ5 verhältnismäßig kurz, so daß die Elektronen schnell mit den Löchern rekombinieren und im Gatebereich verschwinden. Danach dehnt sich der Verarmungsbereich infolge der Gate-Vorspannung hauptsächlich in den Basisbereich 32 um den Gatebereich 34 aus und schnürt die Kanäle ein, so daß der Katodenstrom durch den Thyristor unterbrochen wird. Dadurch ist der Thyristor ausgeschaltet, weil die Restträger im Basisbereich entweder infolge der Diffusion in den Gatebereich fließen oder wegen der Rekombination im Basisbereich verschwinden.

Ein Thyristor konnte durch Anlegen einer Gate-Vorspannung von —15 V bei einem Anodenstrom von 2OA ausgeschaltet werden. Die typische Ausschaltzeit betrug etwa 10 us. Die zwischen Anoden- und Katodenanschluß 3 bzw. 2 anliegende Sperrspannung betrug 800 V.

Her Thyristor hai somit ausgezeichnete Ausschalteigenschaflcn.

I'ig b zeigt den Querschnitt einer /weiten Ausfiihriingsl'orm ties fcldgesleuerlen Thyristors. Bei diesem Thyristor ist der Guteanschluß 4 am Boden von Nuten 60 ausgebildet, die von der zweiten Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats aus bis zu den ersten Teilen 341 der Gatebereiche eingeschnitten sind. Mit Ausnahme dieses Merkmals hat das Ausfi'ihrungsbeispiel der F i g. b den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Beide Thyristoren arbeiten in gleicher Weise. Im folgenden sei die Herstellung des Thyristors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Als Ausgangsmaterial wird ein η-leitendes Siliziumsubstrai verwendet. Zur .Ausbildung des ρ+-leitenden Anodenbereichs 31, der ersten Teile 341 der p-leitenden Gatebereiche, der zweiten Teile 322 des η-leitenden Basisbereichs und der Katodenbereiche 33 wird das gleiche Verfahren angewendet wie bei der Herstellung der ersten Ausführungsform des Thyristors nach Fig. 1. Darauf wird die gesamte Oberfläche des Siliziumsubstrats mit einem Oxid-Film, Nitrid-Film oder dergleichen abgedeckt. Der Abdeckfilm wird auf den Teilen des Substrats nach der bekannten Fotoätztechnik teilweise entfernt, wo die Nuten 60 eingeschnitten werden sollen. Das so behandelte Si-Substrat wird zum Einschneiden der Nuten 60 in eine chemische Ätzlösung getaucht. Wenn die Hauptflächen in der kristallographischen (110)-Ebene liegen, kann als chemische Ätzlösung eine Mischung aus Kaliumhydroxid, Isopropylalkohol und Wasser verwendet werden. Bei diesem Ätzmittel ist die Ätzgeschwindigkeit in der (HO)-Ebene etwa 80ma! schneller als die Ätzgeschwindigkeit in der(111)-Ebene, so daß leicht schmale und tiefe Nuten 60 eingeschnitten werden können. Von den Innenwänden der Nuten 60 her wird eine p-leitende Verunreinigung eindiffundiert, so daß die Leitfähigkeitstypen der die Nuten 60 enthaltenden Bereiche in den p-Leitungstyp umgewandelt werden. Die Diffusionstiefe beträgt etwa 1 bis 3 μίτι, und die Oberflächenkonzentration ist vorzugsweise höher als 1 χ 10^|q cm-³, um den Ohmschen Kontakt der am Boden der Nuten 60 auszubildenden Elektroden zu ermöglichen. Vorzugsweise wird ein Diffusionsverfahren angewendet, bei dem während der Diffusion kein Oxidfilm ausgebildet wird. Dieses Verfahren kann beispielsweise durch Ampullendiffusion von Boratomen im Vakuum oder in einer Argonatmosphäre ausgeführt werden. Der Oberflächen-Überzugsfilm des Si-Substrats wird wieder selektiv entfernt, und der Thyristor wird fertiggestellt, indem auf den freiliegenden Oberflächen

nc jj uiiu

den ersten Teilen 341 der Gatebereiche, d. h. auf den Böden der Nuten 60 ein Anodenanschluß 2, Katodenanschlüsse 3 bzw. Gateanschlüsse 4 ausgebildet werden. Falls die Hauptoberflächen in einer anderen Kristallebene, beispielsweise der Ebene (111) liegen, kann zur Ausbildung der Nuten 60 eine herkömmliche Ätzlösung verwendet werden.

Der Thyristor nach F i g. 7 kann erhalten werden, indem Teile des p⁺-leitenden Anodenbereichs 31 durch n+-leitende Halbleiterbereiche 312 und/oder n+-Halbleiterbereiche 313 ersetzt werden, wobei die verbleibenden ρ+-leitenden Anodenbereiche mit 311 bezeichnet sind. Die η+-leitenden Halbleiterbereiche 312 und die n+-leitenden Halbleiterbereiche 313 haben die folgenden Funktionen bzw. Auswirkungen. Wenn durch die Gatesteuerung der Thyristor ausgeschaltet wird, werden, wie oben beschrieben, die Kanäle zunächst eingeschnürt. Darauf Hießen die Rcslträger im Basisbereich durch Diffusion in den (iatebereich oder verschwinden durch Rekombination im Basisbereich, so dall der Thyristör völlig abschaltet. Die Zeit ο vom Augenblick des Anlegens der Gate-Vorspannung bis zum Augenblick des Einschnüren der Kanäle verhält sich zur Zeit h vom Augenblick des Einschnürens der Kanäle bis zum Augenblick des Verschwindens der Restträger im Basisbereich bzw. der Abnahme des Anodenstroms auf 10% des Werts im leitenden Zustand nach der Ungleichung tj< ti. Beispielsweise sind typische Werte für den Thyristor der Fig. 1: (^=2 \is, tr^S \is. Da die Ausschaltzeit gleich der Summe von td und frist, hat feinen beträchtlichen Einfluß auf die Ausschaltzeit. Die Ausschaltzeit wird dadurch abgekürzt, daß die Elektronen und Löcher, die sonst während des Ausschaltvorganges im ersten Teil des Basisbereichs bleiben, zum Anodenbereich 2 durch die n+-leitenden Bereiche 312 und 313 bzw. den Anodenbereich 311 geleitet werden. Der Fluß dieser Träger kann als umgekehrter Erholungsstrom durch eine Diode betrachtet werden, die aus dem ρ+ -leitenden Anodenbereich 311, dem ersten Teil 321 des n-leitenden Basisbereichs 32 und den n+-leitenden Bereichen 312 und/oder 313 gebildet ist.

Die Störstellenkonzentrationen in den η+ -leitenden Bereichen 312 und 313 werden so hoch wie möglich gewählt, um die Ausschaltzeit des Thyristors abzukürzen. Ferner werden die n⁴ -leitenden Bereiche 312 derart angeordnet, daß wenigstens ein Teil der Projektion des zweiten Teils 342 des Gatebereichs auf den Anodenanschluß 2 die η ^f-leitenden Bereiche 312 überlappt, so daß die Sperren in den Strompfaden im eingeschalteten Zustand vermindert werden. Wird der η+ -leitende Bereich 313 wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 unterhalb der Kanäle angeordnet, dann ist die Ausschaltzeit kürzer, als wenn der η+ -leitende Bereich 313 durch den ρ+ -leitenden Anodenbereich ersetzt ist. Darüber hinaus wird die Einschaltgeschwindigkeit beschleunigt, weil die Stromdichte durch den n + npn~- p+-Thyristor während der Einschaltperiode erhöht wird.

Bei dem Thyristor der F i g. 8A ist in wenigstens einen Teil des Thyristors der F i g. 1 ein die Lebensdauer der Träger herabsetzendes Material dotiert. Hierzu dienen durch Diffusion eindotierte Atome eines schweren Metalls wie Gold oder Platin und durch Bestrahlung mit radioaktiven Strahlen, beispielsweise Röntgen- oder Gammastrahlen oder einem Elektronenstrahl hervorgerufene Gitterdefekte. Ein Elektronenstrahl wird bevorzugt, weil er am besten gesteuert und weil mit ihm das Material am besten bearbeitet werden kann. Bei dcrn Thyristor der Fig.8A ist die Einschaltzeit verkürzt, während der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung im eingeschalteten Zustand niedrig bleibt. Der Bereich, in den das die Lebensdauer der Träger herabsetzende Material dotiert wird, sollte vorzugsweise wenigstens den ersten Teil 321 des Basisbereichs umfassen, da die die Ausschaltzeit beeinflussenden Restträger hauptsächlich in diesem Bereich vorliegen. Noch vorteilhafter ist es, das die Lebensdauer der Träger verkürzende Material derart zu dotieren, daß die Lebensdauer der Minoritätsträger unterhalb des zweiten Teils 342 des Gatebereichs kürzer ist als unterhalb des Katodenbereichs. In der Praxis wird folgendes Verfahren angewendet: Durch Vakuumaufdampfung wird die gesamte Hauptoberfläche 101, d. h. die freiliegende Anodenfläche eines Halbleitersubstrats 1, das einen vorbestimmten Halbleiter-

Fertigungsprozeß durchlaufen hat, mit einem gleichmäßigen Goldfilm beschichtet. Dann wird der Goldfilm nach der Fotoätztechnik selektiv derart geätzt, daß der Teil des Goldfilms auf dem dem zweiten Teil 342 des Gatebereichs entsprechenden Teil der Oberfläche 101 stärker ist als auf dem anderen Teil der Hauptoberfläche 101. Danach wird das Halbleitersubstrat bei hoher Temperatur einer Wärmebehandlung unterzogen, so daß die Goldatome eindiffundieren. Der Thyristor wird fertiggestellt, indem ein Anodenanschluß, ein Katodenanschluß und ein Gateanschluß angebracht werden.

F i g. 8B zeigt die Abhängigkeit zwischen der Ausschaltzeit und dem Spannungsabfall in Durchlaßrichtung eines Thyristors, dessen Ausschaltzeiten durch Änderung der Konzentration der dotierten Goldatome gesteuert wurden. Allgemein ist die Ausschaltzeit um so kürzer und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung um so höher, je größer die Menge an die Lebensdauer der Träger verkürzendem Material ist. Entsprechend ähneln die die obige Beziehung wiedergebenden Diagramme in Fig. 8B Hyperbeln. Die Kurve A entspricht dem Fall, daß die Minoritätsträger im ersten Bereich 321 des Basisbereichs eine gleichmäßige Lebensdauer haben, die Kurve B zeigt den Fall, daß die Lebensdauer τ\ der Minoritätsträger in dem Teil des ersten Bereichs 321 unterhalb des zweiten Bereichs 342 des Gatebereichs ein Drittel der Lebensdauer r₂ der Minoritätsträger im anderen Teil des ersten Bereichs 321 beträgt. Für den gleichen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung ist die Ausschaltzeit im Fall B kleiner als im Fall A bzw. für die gleiche Ausschaltzeit ist der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung im Fall B geringer als im Fall A. Das heißt, daß die der Kurve B zugrundeliegende Anordnung der der Kurve A vorzuziehen ist. Im eingeschalteten Zustand nämlich bilden der zweite Teil 342 des Gatebereichs und der Teil des Basisbereichs unterhalb des zweiten Teils 342 keinen Strompfad. Entsprechend wird der durch r₂ bestimmte Spannungsabfall in Durchlaßrichtung nicht nachteilig beeinflußt, unabhängig davon, wie kurz die Lebensdauer r, der Minoritätsträger im zweiten Teil 342 und in dem Teil darunter ist. Wenn andererseits der Thyristor durch Gatesteuerung ausgeschaltet wird, verschwinden die Restträger im Basisbereich durch Diffusion in den Gatebereich oder rekombinieren dort. Ist in diesem Fall τ\ kleiner als r₂, so verschwinden die Restträger in dem Bereich, in dem die Lebensdauer r, ist, schneller als in dem anderen Bereich, so daß die Restträgerkonzentrationen in den beiden Bereichen unterschiedlich sind. Dadurch diffundieren die Restträger in den Bereich, in dem die Lebensdauer τ\ ist und verschwinden dort schnell. Der Bereich, in dem die Lebensdauer gleic!> η ist, wirkt daher als Senke für die Restträger, so daß die Ausschaltzeit verkürzt wird.

Im folgenden wird die Kombination der beiden Thyristoren der Fig.7 und 8A erläutert Die Kurve Cder Fig.8B zeigt die Kennlinie eines Thyristors, bei dem nur der Teil des p⁺-Anodenbereichs 31 unterhalb des zweiten Teils 342 des Gatebereichs im Thyristor der Fig.8A durch einen n+-Halbleiterbereich ersetzt ist Diese Anordnung übertrifft gemäß Kurve C die der Kurven A und B. In diesem Fall dient der n+-HalbIeiterbereich zusätzlich zu dem Bereich, in dem die Lebensdauer gleich Γι ist, als Senke für die Restträger.

F i g. 9A zeigt einen Thyristor, der sich dadurch auszeichnet, daß in dem dem ersten Teil 321 des Basisbereichs des Thyristors der Fig. IA entsprechenden Teil die Störstellenkonzentration in dem Teil 3216, der näher am Anodenbereich 31 liegt, höher ist als im Teil 321a, der näher am zweiten Teil 341 des Gatebereichs liegt. F i g. 9B zeigt das Profil der Störstellenkonzentration in Richtung ζ des Thyristors der Fig. 9A.
Selbst wenn die bei diesem Aufbau sich beim Anlegen der Gate-Vorspannung in den Basisbereich ausdehencie Verarmungsschicht durch Verminderung der Störstellenkonzentration im Basisbereich vergrößert wird, besteht keine Gefahr eines Durchgriffs, weil die Ausdehnung des Verarmungsbereichs zum Anodenbereich durch den Teil 3216 des Basisbereichs, dessen Störstellenkonzentration größer ist als die des Teils 321a, gesperrt wird. Infolgedessen kann der Hauptstrompfad dieses Thyristors durch eine niedrige Gatespannung eingeschnürt werden, so daß die Sperrspannungsver-Stärkung erhöht ist. Durch den Teil 321 b mit höherer Störstelienkonzentration im Basisbereich kann die Dikke des Basisbereichs gering gehalten werden, die sonst zur Vermeidung eines Durchgriffes verhältnismäßig groß gewählt werden müßte. Entsprechend wird die Menge der Restträger im Basisbereich vermindert, so daß die Ausschaltzeit verkürzt wird.

Um die Vorteile des Thyristors der Fig.9A besonders zur Geltung zu bringen, sollte die Stärke des Teils 321a des Basisbereichs zur Erzielung eines möglichst niedrigen Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung möglichst klein sein. In der Praxis wird die Stärke des Teils 321a so gewählt, daß der Verarmungsbereich im ausgeschalteten Zustand des Thyristors den Teil 321 b des Basisbereichs erreicht.

Wie in Fig. 9B gezeigt, hat der erste Teil des Basisbereichs eine Stärke von etwa 70 μιτι, wobei die Teile 321a und 321 b 50 bzw. 20 μιτι stark sind. Zum Vergleich wurden zwei andere Ausführungsformen des Thyristors hergestellt. Die eine (I) wurde durch Entfernung des Teils 321Λ vom ersten Teil des Basisbereichs im Thyristor der Fig.9A und durch Einstellen der Dicke des Teils 321a und der Störstellenkonzentration im Teil 321a auf etwa 200 μιτι bzw. 5 χ 10¹³ cm~³ hergestellt. Die andere Ausführungsform (II) wurde unter Entfernung des Teils 321 b und durch Einstellung der Dicke und der Störstellenkonzentration auf etwa 150 μΐη bzw. 1 χ 10¹⁴ cm-³ hergestellt. Die bei den Vergleichsmessungen erhaltenen verschiedenen Kennwerte der Thyristoren sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle

Eigenschaft	Einh.	Bauelem.	Vergleichs-Baueletn.	Il
		der Fig.9	I	1000
Sperrspannung	V	1000	1000
(berechnet)				-20
Gate-Vorspan	V	-10	-10
nung				1,9
Spgs.abfall in	V	1,2	2,3
Durchlaßricht
(bei 100 A/cm²)				10
Ausschaltzeit	US	3	20

Beim Vergleichselement I sind der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung und die Ausschaltzeit wesentlich größer als bei dem Thyristor der F i g. 9A, obwohl beide Elemente die gleiche Gate-Vorspannung haben. Bei dem Bauelement II sind der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung und die Ausschaltzeit gegenüber I etwas verbessert weil die Störstellenkonzentration im ersten Teil 321 des n~-leitenden Basisbereichs höher und seine

Dicke geringer ist. Das Bauelement il ist trotzdem dem Element der Fig. 9A unterlegen, und die Gate-Vorspannung des Bauelements II ist doppelt so hoch wie die des Bauelements I und des Thyristors der F i g. 9A (d. h. die SpeiTspannungsverstärkung des Bauelements Il ist halb so groß wie die der Bauelemente gemäß I und der F i g. 9A). Dies zeigt, daß diese Ausführungsform hervorragende Eigenschaften hat.

Fig. 10 zeit,! eine weitere Ausführungsfonn des Thyristors, bei dem die Dicke des Anodenberoichs 31 und die Menge an Störstellen, die in den Anodenbereich 31 dotiert sind, um ihn p-leitend zu machen, vermindert ist. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich ein Thyristor mit kurzer Ausschaltzeit, ohne den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung zu erhöhen, indem das Verhältnis der injizierenden Löcher aus dem Anodenbereich 31 vermindert wird.

Wenn beispielsweise auf einem η-leitenden Einkristallsubstrat eine p-leitende polykristalline Schicht aufgebracht wird, diffundiert die p-leitende Verunreinigung aus der p-leitenden polykristallinen Schicht etwas in das einkristalline η-leitende Substrat, so daß der an die p-leitende polykristalline Schicht angrenzende Teil des n-leitenden Substrats in eine dünne p-leitende Einkristallschicht verwandelt wird. Hierdurch bildet sich zwischen der p-leitenden Einkristallschicht und dem n-leitenden Einkristallsubstrat ein pn-übergang. Die Technik der Begrenzung der von der p-leitenden Einkristallschicht injizierten Trägermenge durch Verminderung ihrer Dicke und durch Verminderung der Menge an Störstellen in dieser Einkristallschicht ist beispielsweise in der JA-OS 4179/77 beschrieben.

Der Anodenbereich 31 des Thyristors der Fig. 10 kann beispielsweise folgendermaßen hergestellt werden. Auf der freiliegenden Hauptoberfläche des ersten

> Bereichs 321 des Basisbere chs eines Halbleitersubstrats, bei dem mit Ausnahme des Anodenbereichs 31 sämtliche Bereiche fertig sind, wird eine p-leitende polykristalline Siliziumschicht 100 aufgebracht. In dem ersten Teil 321 des Basisbereichs wird unter Verwendung

κι der pichenden polykristallinen Sili/iumschieht als Diffusionsquelle ein Anodcnbcrcich 31 mit sehr geringer Dicke hergestellt. Die dünne Diffusionsschicht kann während der Wärmebehandlung zum Aufwachsen der polykristallinen Schicht oder während einer Wärmebehandlung nach dem Aufwachsen des Kristalls ausgebildet werden. Die polycristalline Schicht kann bei 800 bis 1000°C in einer Wasserstoffatmosphäre hergestellt werden, wobei als Ausgangsmaterial Trichlorsilan und als Dc'iergas Diboran verwendet wird. Die Dicke der polykristallinen Schicht sollte groß genug sein, um zu verhindern, daß die Anoden-Basisstrecke bei der Ausbildung des Anodenanschlusses beschädigt wird. Die Dicke beträgt vorzugsweise 30 bis 60 μηι.
Es sei darauf hingewiesen, daß einige der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zur Erzielung kombinierter Effekte miteinander kombiniert werden können. Bei den vorstehend beschriebenen AusführungsfcriTien werden die Funktionen und Auswirkungen durch Vertauschung der Leitfähigkeitstypen nicht verschlechtert.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Feidgesteuerter Thyristor mit einem Halbleitersubstrat (1), an dessen beiden Hauptoberflächen (101,102) eine erste bzw. eine zweite Hauptelektrode (2,3) angeordnet ist, enthaltend

(a) eine mit der ersten Hauptelektrode (2) elektrisch verbundene erste Halbleiterschicht (31) ίο eines ersten Leitungstyps,

(b) eine an die erste Halbleiterschicht (31) angrenzende und mit dieser einen ersten pn-Ubergang bildende zweite Halbleiterschicht (32) eines zweiten Leitungstyps, '5

(c) eine an die zweite Halblsiterschicht (32) angrenzende und mit der zweiten Hauptelektrode (3) in ohmschem Kontakt stehende dritte Halbleiterschicht (33) des zweiten Leitungstyps, die eine höhere Störstellenkonzentration hat als die zweite Halbleiterschicht (32), und

(d) einen von der Außenseite des Halbleitersubstrats (1) her kontaktierten Gate-Bereich (34) des ersten Leitungstyps, der parallel zu den Hauptoberflächen (101,102) verlaufende, in der zweiten Halbleiterschicht (32) vergrabene und mit der zweiten Halbleiterschicht (32) einen zweiten pn-Übergang bildende streifenförmige Teile (341) aufweist,

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