DE3024939C2

DE3024939C2 -

Info

Publication number: DE3024939C2
Application number: DE3024939A
Authority: DE
Inventors: Atsuo Hitachi Jp Watanabe; Masayoshi Katsuta Jp Naito; Tsutomu Yatsuo; Masahiro Hitachi Jp Okamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-07-02
Filing date: 1980-07-01
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2000-07-02
Also published as: DE3024939A1; US4388635A; DE3024939C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art.

Ein Thyristor ist eine Halbleiteranordnung mit drei oder mehr PN-Übergängen, der sich zum Schalten aus einem Stromsperrzustand in einen Stromleitzustand durch elektrische oder optische Auslösemittel und umgekehrt durch elektrische Mittel eignet.

Eines der typischen Beispiele hiervon wird anhand der Fig. 1, 2 und 3B erläutert. Es betrifft einen PNPN-Thyristor mit einem N-Leitungstyp-Halbleiterplättchen als Ausgangsmaterial sowie ein herkömmliches Herstellverfahren.

Gemäß Fig. 1 hat ein Halbleitersubstrat 10 eine an einer Hauptoberfläche 101 freiliegende P-Emitter-(P _E)Schicht 1, eine an die P-Emitterschicht 1 angrenzende N-Basis-(N _B)-Schicht 2 und eine an die N-Basisschicht 2 angrenzende P-Basis-(P _B)Schicht 3 an der anderen Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats 10 zusammen mit einer N-Emitter-(N _E)Schicht 4 freiliegt. Zwischen der P-Emitterschicht 1 und der N-Basisschicht 2, zwischen der N-Basisschicht 2 und der P-Basisschicht 3 sowie zwischen der P-Basisschicht 3 und der N-Emitterschicht 4 sind PN-Übergänge J₁ bzw. J₂ bzw. J₃ gebildet, wobei die PN-Übergänge J₁ und J₂ an einer Seite 103 des Halbleitersubstrats 10 enden und der PN-Übergang J₃ an der anderen Hauptoberfläche 102 endet. Eine Anodenelektrode 5, eine Kathodenelektrode 6, die Hauptelektroden sind, und eine Steuerelektrode 7 sind auf der einen Hauptoberfläche 101 bzw. an den freiliegenden Teilen der P-Basisschicht 3 der anderen Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats 10 ausgebildet. Die Anodenelektrode 5 dient auch zum Schutz des spröden Halbleiterplättchens. Der PN-Übergang J₃ zwischen der N-Emitterschicht 4 und der P-Basisschicht 3 ist durch die Kathodenelektrode 6 in einem Bereich 41 zur Bildung eines kurzgeschlossenen Emitteraufbaus teilweise kurzgeschlossen. Der äußerste Umfang der Kathodenelektrode 6 ist durch die P-Basisschicht 3 zur Bildung eines kurzgeschlossenen Umfangsaufbaus 42 kurzgeschlossen. Demgemäß hat ein Endbereich 300 des Halbleitersubstrats 10 einen PNP-Aufbau.

Der kurzgeschlossene Emitteraufbau und der kurzgeschlossene Umfangsaufbau entsprechen einer bekannten Technik zur Verbesserung der Sperrcharakteristik des Thyristors. Die Sperrcharakteristik des Thyristors wird als die Eignung definiert, eine möglichst hohe Spannung mit einem möglichst geringen Ableitungsstrom auszuhalten, wenn die Spannung über die Anodenelektrode 5 und die Kathodenelektrode 6 angelegt wird, um den Übergang J₁ oder J₂ in Sperrichtung vorzuspannen (d. h. Sperrzustand). Üblicherweise kann eine hohe Spannung innerhalb des Hallbleiterkörpers gesperrt werden, doch ist die Sperreignung an der Oberfläche geringer als im Inneren, da die elektrische Feldstärke an der Oberfläche höher als im Inneren ist und daher ein Lawinendurchbruch bzw. -durchschlag an der Oberfläche auftritt. um das obige Problem zu vermeiden, ist es erforderlich, an der Oberfläche eine niedrigere elektrische Feldstärke als im Inneren einzustellen. Die Verringerung der elektrischen Feldstärke an der Oberfläche läßt sich durch Ausdehnen einer Verarmungsschicht an der Oberfläche erreichen.

Zu diesem Zweck wurde nach dem Stand der Technik die Seitenkante 103 des Halblleitersubstrats 10 zu einem Doppelabschrägungsaufbau oder Sigma (Σ)-Umriß geformt. Dabei muß jedoch, da die Übergänge J₁ und J₂ an der Seitenkante 103 freiliegen, eine Oberflächenpassivierungsschicht 200 angebracht werden, um die Verringerung der Durchbruchsspannung aufgrund der Verunreinigung und der Abscheidung von Verunreinigungsionen von außen zu vermeiden.

für eine Halbleiteranordnung, bei der die Seitenkante des Halbleitersubstrats 10 zum Abschrägungsaufbau geformt ist und die Seitenkante ein Passivierungsmaterial trägt, wurde die folgende Technik angegeben, um die Durchbruchsspannung an der Oberfläche des Halbleitersubstrats höher als die Durchbruchsspannung des Körpers zu machen. In der US-PS 34 13 527 ist offenbart, eine leitende Schutzelektrode auf einem dielektrischen Material bei einem Thyristor, dessen Seitenkate zu einem abgeschrägten Aufbau geformt ist und das abgeschiedene dielektrische Material trägt, in der Nähe eines PN-Übergangs im Halbleitersubstrat vorzusehen. Nach dieser US-PS dient die leitende Schutzelektrode zur Verringerung der elektrischen Feldstärke an der Seitenkante des Halbleiterkörpers, wenn der PN-Übergang des Halbleitersubstrats in Sperrichtung vorgespannt wird, um die Durchbruchsspannung an der Oberfläche höher als die Durchbruchsspannung im Körper zu machen.

Jedoch bringt der bekannte Thyristor das folgende Problem. Wenn bei diesem Thyristor eine hohe Sperrspannung für eine ausgedehnte Zeitdauer angelegt wird, wächst ein Ableitungsstrom anormal so an, daß die Sperrcharakteristik erheblich verschlechtert wird und im schlimmsten Fall eine thermische Instabilität unter Zerstörung der Halbleiteranordnung auftritt.

Die US-PS 34 13 527 bezieht sich nicht auf das Problem bei der Zuführung der Sperrspannung für die ausgedehnte Zeitdauer und dessen Lösung.

Für dieses Problem wurde allgemein anerkannt anzunehmen, daß es nicht auf eine Erscheinung im Halbleiterkörper, sondern auf die Seitenkante des Halbleitersubstrats 10 im Zusammenhang mit dem Passivierungsmaterial zurückzuführen ist. Daher wurden das Passivierungsmaterial als solches und das chemische Verfahren für die Seitenkante untersucht.

Jedoch wurde kein spezielles Modell für die Gründe der Verschlechterung und eine Behebung derselben bezüglich eines Aufbaus wie etwa der in Fig. 1 dargestellten Halbleiteranordnung ermittelt.

Aus der DE-OS 22 29 605 ist eine Halbleiteranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art bekannt, bei dem ein Paar von elektrisch leitenden Schichten, die auf den Potentialen der Anode bzw. der Kathode gehalten werden, sich teilweise an der Seitenfläche des Substrats bei zwischengefügter Isolierschicht überlappen, so daß die Verarmungsschicht am Randteil aufgrund der konstanten Potentiale enge gemacht wird und sich konzentriertere elektrische Feldlinien im Passivierungsmaterial nahe der Kante der leitenden Schicht ergeben.

Die GB-PS 11 19 297 offfenbart eine Halbleiteranordnung, die mit einer leitenden Schicht zur äußerlichen Steuerung des elektrischen Feldes um die freiliegende Kante des PN-Überganges in der Halbleiteroberfläche versehen ist und dadurch die Durchbruchsspannung des PN-Überganges steuert. Fast sämtliche elektrische Kraftlinien enden nicht im Passivierungsmaterial, sondern an der Halbleiteroberfläche.

Schließlich ist aus der US-PS 34 05 329 eine planare Halbleiteranordnung bekannt, worin Ladungen an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats durch das Anlegen eines äußeren Feldes gesteuert werden, wodurch die Durchbruchsspannung der Anordnung verbessert wird. Dabei sind ein negativ geladener Schirm und ein Schutzschirm vorgesehen, die zu Erweiterung des Verarmungsbereichs nahe der P-Schichtoberfläche bzw. zum Verhindern einer übermäßigen Verbreiterung des Verarmungsbereichs nahe der Oberfläche im P-Bereich dienen. Eine Verringerung der an der Halbleiteroberfläche endenden elektrischen Kraftlinien tritt kaum auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung der eingangs vorausgesetzten Art mit hoher Durchbruchsspannung zu entwickeln, bei der der Ableitungsstrom nicht wächst, auch wenn eine Sperrspannung für eine ausgedehnte Zeitdauer angelegt wird, die damit eine hochverläßliche Sperreignung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung eine Spannung zum Vorspannen des PN-Übergangs in Sperrichtung zwischen dem Paar von Hauptelektroden angelegt wird, werden Ionen im Passivierungsmaterial durch ein elektrisches Feld gesammelt, das im Passivierungsmaterial erzeugt ist, so daß die Verschlechterung der Durchbruchscharakteristik an der Oberfläche des Halbleitersubstrats verhindert wird.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung verschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 einen Schnitt zur Veranschaulichung des Aufbaus eines bekannten Thyristors;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt eines Umfangsteils des in Fig. 1 dargestellten Thyristors, bei dem eine Spannung gezeigter Polarität am Paar der Elektroden angelegt ist;

Fig. 3A einen vergrößerten Teilschnitt eines Umfangsteils einer weiteren bekannten Halbleiteranordnung;

Fig. 3B einen vergrößerten Teilschnitt eines Umfangsteils einer Fig. 1 entsprechenden Halbleiteranordnung;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Spannungsanlegungszeit und dem Ableitungsstrom, wenn eine bestimmte Vorspannung an die Halbleiteranordnungen nach den Fig. 3A und 3B angelegt wird;

Fig. 5 und 6 Schritte eines Thyristors nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Ableitungsstrom für den in Fig. 5 und 6 dargestellten Thyristor; und

Fig. 8 bis 18 Schnitte von Thyristoren nach weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Die Erscheinung der Verschlechterung der Sperrcharakteristik wurde im einzelnen für einen Thyristor des in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Aufbaus untersucht.

Durch die Untersuchung wurde gefunden, daß die Verschlechterungserscheinung nicht auf einem Problem innerhalb des Halbleitersubstrats, sondern auf Verunreinigungsionen beruht, die in dem auf die Seitenkante des Halbleitersubstrats aufgebrachten Passivierungsmaterial verteilt sind. Eine Spur von unentfernbaren Verunreinigungsionen, wie z. B. Wasser, Natriumionen und durch Dissoziation durch ein elektrisches Feld erzeugten Ionen, verteilt sich im Passivierungsmaterial. Wenn eine Sperrspannung angelegt wird, wirkt ein elektrisches Feld auf das Passivierungsmaterial, und die Verunreinigungsionen beginnen, sich längs des elektrischen Feldes zu bewegen. Aufgrund dieser Bewegung sammelt sich eine große Menge von Verunreinigungsionen in einem Bereich, an dem das elektrische Feld oder eine elektrische Kraftlinie endet.

Es wird nun eine bestimmte, bei einem tatsächlichen Thyristor beobachtete Erscheinung betrachtet.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt eines Umfangsteils zur Erläuterung der obigen Erscheinung im einzelnen. Die den in Fig. 1 gezeigten identischen Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Beim dargestellten Thyristor wird eine Spannung an den Hauptelektroden im Vorwärtssperrzustand angelegt, d. h. daß die Anodenelektrode 5 positiv und die Kathodenelektrode 6 negativ ist.

Im Passivierungsmaterial gezeigte Strichellinien sind elektrische Kraftlinien 30, längs deren sich die Verunreinigungsionen bewegen. Die elektrischen Kraftlinien werden hier weiter erläutert. Die meisten der elektrischen Kraftlinien enden an der Seitenkante, an der die P-Basisschicht 3 freiliegt, und an einer Halbleiterschicht auf deren Oberfläche. Als Ergebnis sammelt sich eine große Menge von positive Ladungen tragenden Verunreinigungsionen an der Oberfläche. Es war bekannt, daß, wenn sich die positiven Ladungen an der Oberfläche der P-Halbleiterschicht sammeln, die Löcherkonzentration an dieser Oberfläche sinkt und die Verarmung und sogar die Inversion zum N-Typ auftreten.

Wenn die an den Thyristor angelegte Sperrspannung für eine lange Zeitdauer einwirkt, wächst die Menge der an der P-Basisschicht 3 angesammelten positiven Ladungen allmählich, und die Verarmung oder die Inversion der P-Basisschicht 3 zum N-Typ schreitet fort, die möglicherweise die Kathodenelektrode 6 erreicht, die die zweite Hauptelektrode auf der N-Emitterschicht 4 ist. Als Ergebnis fließt ein äußerst starker Ableitungsstrom durch diesen Bereich. In der N-Basisschicht 2 und der P-Basisschicht 3 dargestellte Strichpunktlinien zeigen Verarmungszonen. Wie dargestellt, ist die Verarmung zur Oberfläche der P-Basisschicht 3 vorgerückt, und die Verarmungszone hat die Kathodenelektrode 6 erreicht.

Es wurde erkannt, daß die bei dem bekannten Thyristor angetroffene Verschlechterung der Sperrcharakteristik auf eine Erscheinung zurückzuführen ist, bei der sich die Verunreinigungsionen im Passivierungsmaterial durch das elektrische Feld bewegen und an der Oberfläche der P-Basisschicht 3 ansammeln, was zur Verarmung oder Inversion zum N-Typ an der Oberfläche führt.

Die Verringerung der Menge der an der Oberfläche der P-Basisschicht 3 angesammelten Verunreinigungsionen ist also wesentlich, um das Problem der Verschlechterung zu lösen. Dies könnte durch Verbesserung des bisher verwendeten Passivierungsmaterials oder durch Verwendung eines neuen Passivierungsmaterials zur Verringerung der Menge der Verunreinigungsionen erreicht werden. Beim bekannten Thyristor werden die meisten Verunreinigungsionen in die P-Basisschicht 3 gelenkt und dort angesammelt, weil die meisten elektrischen Kraftlinien im Passivierungsmaterial an der P-Basisschicht 3 enden. Es wird daher, wie ebenfalls bekannt, eine Hilfselektrode aus einem leitenden Teil vorgesehen, die nach außerhalb der Kante der P-Basisschicht 3 vorragt. Die an der Oberfläche der P-Basisschicht 3 angesammelten Verunreinigungsionen werden von der Hilfselektrode erfaßt. Als Ergebnis wird die Menge der an der Oberfläche der P-Basisschicht 3 angesammelten Ladungen wesentlich verringert, und die Änderung des Ableitungsstroms wird wesentlich reduziert.

Es wurden hierzu folgende Versuche durchgeführt.

Fig. 3A und 3B zeigen Umrisse von Versuchsproben, und Fig. 4 zeigt Versuchsergebnisse.

Die Hauptelektroden 5 und 6 sind auf einem Paar von entgegengesetzten Oberflächen des PNP-Aufbau-Halbleitersubstrats 10 angeordnet. Nach Fig. 3A besteht die Hauptelektrode 6 aus einer Wolframplatte und springt um 1,5 mm über die angrenzende P-Halbleiterschicht vor. Gemäß Fig. 3B sind beide Hauptelekroden 5 und 6 durch Aufdampfen von Aluminium gebildet. Die Hauptelektrode 6 bleibt im Gegensatz zu der Ausbildung in Fig. 3A um 1,5 mm gegenüber der Länge der angrenzenden P-Halbleiterschicht zurück.

Fig. 4 zeigt Änderungen des Ableitungsstroms in Abhängigkeit von der Zeit, wenn eine Gleichspannung von 3000 V mit der in Fig. 3A und 3B gezeigten Polarität angelegt wird. Die Kurve A zeigt die Messung für Fig. 3A, und die Kurve B zeigt die Messung für Fig. 3B. Man sieht, daß die Kurve A einen erheblich geringeren Anstieg des Ableitungsstroms als die Kurve B zeigt.

Es folgt aus der Diskussion der obigen Versuchsergebnisse, daß in der Probe nach Fig. 3A die Wolfram-Hauptelektrode 6 als die Verunreinigungsionen sammelnde Hilfselektrode wirkt, während die Hauptelektrode nach Fig. 3B keine solche Funktion hat.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ein N-Siliziumeinkristallmaterial mit einem Widerstand von 200-300 Ω · cm und einer Dicke von angenähert 1 mm wird als Ausgangsmaterial verwendet, in das ein P-Dotierstoff, wie z. B. Gallium oder Aluminium, nach einer bekannten Diffusionstechnik zur Bildung einer P-Diffusionsschicht eindiffundiert wird. Die Oberfläche einer der Diffusionsschichten wird in Tiefenrichtung gleichmäßig durch einen chemischen Ätzprozeß um 40-50 µm zum Zurichten der Dicke geätzt. Die auf eine verringerte Dicke geätzte P-Schicht dient als die P-Basisschicht 3, während die an die entgegengesetzte Hauptoberfläche 101 angrenzende dicke P-Schicht als die P-Emitterschicht 1 dient. Die N-Schicht dazwischen dient als die N-Basisschicht 2. Dann wird die an die P-Basisschicht 3 angrenzende N-Emitterschicht 4 durch einen Phosphordiffusionsprozeß unter Verwendung von POCl₃ als Diffusionsquelle und einen chemischen Ätzprozeß gebildet. Die P-Basisschicht 3 liegt an der Oberfläche 102 in Teilflächen der N-Emitterschicht 4 frei. Angrenzend an die gegenüberliegenden Hauptoberflächen 101 und 102 werden die Anodenelektrode 5 auf der P-Emitterschicht 1, die Kathodenelektrode 6 auf der N-Emitterschicht 4 und die Steuerelektrode 7 auf einem an der Hauptoberfläche 102 freiliegenden Teil der P-Basisschicht 3 gebildet. Die Kathodenelektrode 6 ist vom kurzgeschlossenen Emitteraufbau, bei dem die P-Basisschicht 3 und die N-Emitterschicht 4 teilweise durch Zonen 41 kurzgeschlossen sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Kathodenelektrode 6 und die Steuerelektrode 7 durch Aufdampfen eines Metalls, wie z. B. Aluminium, gebildet, während die über die Kanten der Hauptoberfläche 101 vorragenden Anodenelektrode 5 aus einer Metallplatte, wie z. B. Wolfram oder Molybdän mit einem dem des Halbleitermaterials nahen Wärmeausdehnungskoeffizienten, besteht und unter Verwendung von Aluminium als Lötmaterial fest angebracht ist. Die Seitenkante 103, an der die PN-Übergänge J₁ und J₂ freiliegen, ist aus einer Sigma-(Σ)Kontur geformt, so daß die Übergänge J₁ und J₂ beide positive Abschrägungen haben. Die P-Basisschicht 3 liegt an der Oberfläche in einem Umffangsbereich 300 des Halbleitersubstrats 10 zur Bildung eines PNP-Aufbaus frei. Nahe der Oberfläche, an der die P-Basisschicht 3 freiliegt, ist die Hilfselektrode 8 angeordnet. Die Hilfselektrode 8 besteht aus einem ringförmigen Metallteil, der einen ausreichend großen Durchmesser aufweist, um über die P-Basisschicht 3 vorzusagen und den gesamten Umfang zu bedecken. Die Anforderung an das Material ist, daß es mit einem Passivierungsmaterial 200, das noch beschrieben wird, chemisch nicht reagiert und von diesem nicht erodiert wird. Beispielsweise wurde ein befriedigendes Ergebnis erhalten, als Wolfram bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet wurde. Die Hilfselektrode 8 ragt über die Umfangskante der Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats um 1,0 mm oder mehr vor.

Die Hilfselektrode 8 ist ohmisch derart kontaktiert, daß deren Potential im wesentlichen gleich dem Potential der Kathodenelektrode 6 ist.

Hierzu ist sogar ein einfacher Aufbau, bei dem die Hilfselektrode 8 die Kathodenelektrode 6 nur berührt, ausreichend, um den gewünschten Effekt zu erzielen.

Das Passivierungsmaterial 200 wird zum Bedecken des Umfanges der Seitenkante zwecks Schutzes deren Oberfläche aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Hilfselektrode 8 fast im Passivierungsmaterial eingebettet, doch genügt es, wenn wenigstens ein Teil davon eingebettet ist. Das verwendete Passivierungsmaterial 200 ist ein organisches Silikonkautschukmaterial, das bei Lesitungsthyristoren in der Praxis verwendet wurde.

Fig. 6 veranschaulicht die Funktion der Hilfselektrode 8 und zeigt den Endteil des Halbleitersubstrats 10 nach Fig. 5 in vergrößertem Maßstab zum besseren Verständis. Gestrichelte Linien 30 im Passivierungsmaterial 200 zeigen elektrische Kraftlinien.

Wenn eine Spannung mit der dargestellten Polarität angelegt wird, konzentrieren sich die sich im Passivierungsmaterial erstreckenden elektrischen Kraftlinien zur Oberfläche der P-Basisschicht 3 bei der in Fig. 2 dargestellten bekannten Halbleiteranordnung und enden dort, während sich beim beschriebenen Thyristor eine geringere Zahl von elektrischen Kraftlinien an der P-Basisschicht 3 konzentriert und einige elektrische Kraftlinien an der Hilfselektrode 8 enden. Unter diesen Bedingungen empfangen die meisten der im Passivierungsmaterial 200 verteilten Verunreinigungsionen eine zur Hilfselektrode 8 gerichtete Kraft und sammeln sich an der Hilfselektrode 8, wie durch das Symbol ⊕ angedeutet ist. Strichpunktlinien in der Figur zeigen Verarmungsschichten an beiden Seiten des Pn-Überganges J₂.

Da die Zahl der elektrischen Kraftlinien die elektrische Feldstärke darstellt, verringert sich die Zahl der an der P-Basisschicht 3 konzentrierten elektrischen Kraftlinien aufgrund der Anbringung der Hilfselektrode 8 derart, daß die elektrische Oberflächenfeldstärke an der Grenzfläche zwischen dem Passivierungsmaterial 200 und dem Halbleitersubstrat 10, d. h. an der Seitenkante 103 schwächer wird. Dies ist ein vorteilhafter sekundärer Effekt.

Fig. 7 zeigt die Wirkung dieses Ausführungsbeispiels auf die Stabilisierung der Sperrcharakteristik.

In Fig. 7 zeigt eine Kurve die Beziehung zwischen dem anfänglichen Abletungsstrom und der angelegten Spannung. Danach wurde eine Gleichspannung von 1500 V ständig für 500 h angelegt, um den Vorspannungstest durchzuführen, und danach wurde die Beziehung zwischen dem Ableitungsstrom und der Spannung erneut bestimmt. Der in Fig. 1 dargestellte bekannte Thyristor zeigte die durch die Kurve dargestellte Beziehung, während der in Fig. 5 dargestellt Thyristor die durch die Kurve dargestellte Beziehung zeigte.

Es wurde mit dem obigen Versuch nachgewiesen, daß der Thyristor mit der Hilfselektrode einen geringen Ableitungsstrom und eine sehr stabile Charakteristik ohne merklichen Anstieg des Ableitungsstroms aufweist.

Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet die Endform der Sigmakontur, während der Thyristor dieses Ausführungsbeispiels einen Doppelabschrägungsaufbau hat. In Fig. 8 sind gleiche oder identische Elemente wie die in Fig. 5 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Beim Doppelabschrägungsaufbau neigt die Verarmungsschicht in der P-Basisschicht 3 mehr zur Ausdehnung als bei der Sigmakontur, und daher kann der Durchgriff der Verarmungsschicht zur Kathodenelektrode 6 in der P-Basisschicht 3 leichter auftreten. Demgemäß ist die Anbringung der Hilfselektrode 8 bei diesem Aufbau zur Verhinderung des Durchgriffs sehr wirkungsvoll.

Die in Fig. 9 bis 18 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. In diesen Figuren bedeuten die gleichen Bezugsziffern wie die in Fig. 5 gleiche oder äquivalente Elemente.

In Fig. 9 ist das Halbleitersubstrat 10 dem in Fig. 5 dargestellten gleich und nach dem gleichen Verfahren hergestellt, weshalb es nicht im einzelnen nochmals erläutert wird. Fig. 9 zeigt nur einen Umfangsteil in vergrößertem Maßstab. In Fig. 9 liegt die P-Emitterschicht 1 an der Oberfläche an einem Endbereich auf der Hauptoberfläche 101 des Halbleitersubstrats 10 frei, und die P-Basisschicht 3 liegt an der Oberfläche in einem Endbereich auf der Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats 10 unter Bildung eines PNP-Aufbaus frei. Die Hilfselektrode 8 dieses Ausführungsbeispiels ist angrenzend an den ersten Endbereich angeordnet, und eine zweite Hilfselektrode 9 ist angrenzend an den zweiten Endbereich angeordnet. Die Hilfselektroden 8 und 9 ragen über die Hauptoberfläche hinaus und sind von Ringform, so daß sie den gesamten Umfang bedecken. Sie bestehen aus Wolfram. Die Hilfselektroden 8 und 9 ragen jeweils über den Umfang der Hauptoberfläche 101 bzw. 102 des Halbleitersubstrats um 1,0 mm oder mehr vor.

Die Hilfselektroden 8 und 9 sind chemisch kontaktiert, so daß ihre Potentiale im wesentlichen den Potentialen der Anodenelektrode 5 bzw. der Kathodenelektrode 6 gleich sind.

Die Anbringung des Passivierungsmaterials 200 und die Anforderungen an das Passivierungsmaterial 200 sind denen im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 gleich.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist die Verarmungsschicht im Halbleitersubstrat 10, wenn eine Spannung der dargestellten Polarität zwischen der Anodenelektrode 5 und der Kathodenelektrode 6 angelegt wird, durch eine strichpunktierte Linie gezeigt, und die elektrischen Kraftlinien im Passivierungsmaterial 200 sind als gestrichelte Linien 30 dargestellt.

Dieses Ausführungsbeispiel hat den folgenden Vorteil zusätzlich zum Vorteil bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel. Bei dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Thyristor wird der Metallteil, wie z. B. Wolfram- oder Molybdänplatte, der als Anodenelektrode 5 dient, mit dem Halbleitersubstrat 10 kontaktiert. Als Ergebnis kann während des Kontaktierungsprozesses ein Verbiegen auftreten, wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien voneinander abweichen. Wegen dieser Verbiegung ist es schwierig, einen thermischen und elektrischen Kontakt herzustellen. Dies führt zu einer unerwünschten Wirkung des Anstieges des Wärmewiderstandes und des Anstiegs eines Durchlaßspannungsabfalls. Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anodenelektrode 5 nicht der kontaktierte Metallteil, wie z. B. eine Wolframplatte, sondern sie ist durch Aufdampfen von Aluminium auf die Hauptoberfläche 101 des Halbleitersubstrats 10 wie auch die Kathodenelektrode 6 gebildet. Demgemäß tritt kein Problem der Verbiegung aufgrund des Unterschiedes der Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, und der thermische und elektrische Kontakt erfolgt leicht auf der gleitfähigen Oberfläche.

Fig. 10 zeigt eine Abänderung dieses Ausführungsbeispiels.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 hat den Sigmakonturaufbau, bei dem die beiden Übergänge J₁ und J₂ positive Abschrägungen aufweisen, während das Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 einen Thyristor von konvexer Kontur betrifft, bei der beide PN-Übergänge negative Abschrägungen haben.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 11 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 nur in der Form der Hilfselektrode 8. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 besteht die Hilfselektrode 8 aus einem ringförmigen Emtallteil, der über die P-Basisschicht 3 hinausragt und einen genügend großen Durchmesser aufweist, um den gesamten Umfang zu bedecken. Die Anforderungen hierfür sind denen für das vorige Ausführungsbeispiel gleich. In diesem Ausführungsbeispiel wird Wolfram verwendet. Das äußere Ende 8 a der Hilfselektrode 8 ist nahe der Anodenelektrode 5 angeordnet und im Passivierungsmaterial 200 eingebettet. Die Hilfselektrode 8 ragt von der Umfangskante der Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats 10 um 1,0 mm oder mehr vor und erstreckt sich um 0,5 mm oder weniger von der Hauptoberfläche 102 in Richtung zur Anodenelektrode 5.

Die Hilfselektrode 8 ist ohmisch kontaktiert, so daß ihr Potential nahezu dem Potential der Kathodenelektrode 6 gleich ist.

Wie Fig. 9, zeigt Fig. 11 die Verarmungsschicht und die elektrischen Kraftlinien 30. Bei diesem Ausführungsbeispiel ragt die Außenkante der Hilfselektrode 8 nicht nur über die Hauptoberfläche 102 vor, sondern erstreckt sich auch auf die Anodenelektrode 5 zu, wie mit dem Bezugszeichen 8 a gezeigt ist. Außerdem ist sie im Passivierungsmaterial 200 eingebettet. Es ist offenbar, daß der Sammeleffekt der Verunreinigungsionen zur Hilfselektrode hin in diesem Fall größer ist, als wenn die Hilfselektrode 8 nur vorragt.

Fig. 12 zeigt eine Abänderung dieses Ausführungsbeispiels. Das abgeänderte Ausführungsbeispiel richtet sich auf den Thyristor mit Doppelabschrägungsaufbau.

Im Fall des Doppelabschrägungsaufbaus dehnt sich die Verarmungsschicht in der P-Basisschicht 3 leichter als bei der Sigmakontur aus, und daher tritt der Durchgriff der Verarmungsschicht zur Kathodenelektrode 6 in der P-Basisschicht 3 leichter auf. Bei diesem Aufbau ist die Anbringung der Hilfselektrode 8 sehr wirksam.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 nur in der Form der Hilfselektroden 8 und 9. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 bestehen die Hilfselektroden 8 und 9 aus Metallteilen, deren jeder einen genügend großen Durchmesser aufweist, um über die zugehörige Hauptoberfläche vorzuspringen und den gesamten Umfang zu bedecken. Die äußere Kante 8 a der Hilfselektrode 8 erstreckt sich in Richtung zur oberen Hauptoberfläche 102, und die äußere Kante 9 a der Hilfselektrode 9 erstreckt sich in Richtung zur unteren Hauptoberfläche 101. Als Ergebnis sind beide äußeren Kanten 8 a und 9 a nahe zueinander angeordnet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die äußeren Kanten der Hilfselektroden von zylindrischer Form, die gegenüberstehenden Zylinderkanten 8 a und 9 a weisen einen gegenseitigen Abstand von 0,3 mm auf, und die Hilfselektroden 8 und 9 befinden sich in einem Abstand von 0,4 mm oder mehr, um den Isolationsdurchschlag dazwischen zu veremiden. Die Hilfselektroden 8 und 9 ragen jeweils über die Hauptoberfläche 101 bzw. 102 des Halbleitersubstrats um 1,0 mm oder mehr vor.

Die Hilfselektroden 8 und 9 sind ohmisch kontaktiert, so daß die Potentiale der Hilfselektroden 8 und 9 im wesentlichen gleich den Potentialen der Anodenelektrode 5 bzw. der Kathodenelektrode 6 sind.

Dieses Ausführungsbeispiel liefert den folgenden Vorteil zusätzlich zu den beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 erzielten Vorteilen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ragen die äußeren Kanten 8 a und 9 a der Hilfsselektroden 8 und 9 nicht nur über die Hauptoberflächen vor, sondern sie erstrecken sich aufeinander zu. Demgemäß ist es offensichtlich, daß der Sammeleffekt der Verunreinigungsionen zur Hilfselektrode 9 hin bei diesem Ausführungsbeispiel stärker ist, als wenn sie nur vorragen. Außerdem ist, da die Kanten 8 a und 9 a unter den gleichen Bedingungen aufgebaut sind, die Charakteristik symmetrisch, auch wenn die Polarität der zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode angelegten Spannung umgekehrt wird.

Fig. 14 zeigt eine Abänderung dieses Ausführungsbeispiels. Das in Fig. 13 dargestellte Ausführungsbeispiel hat die Sigmakontur, bei der beide Übergänge J₁ und J₂ positive Abschrägungen aufweisen, während dieses Ausführungsbeispiel den Thyristor konvexer Form zeigt, bei dem beide PN-Übergänge negative Abschrägungen haben.

Es wird nun das in den Fig. 15 und 16 dargestellte Ausführungsbeispiel erläutert. Das Halbleitersubstrat 10 in diesem Ausführungsbeispiel hat eine stark P-dotierte Schicht 40 mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als der der P-Basisschicht 3 am Umfang der Hauptoberfläche 102 der P-Basisschicht 3. Die restlichen Teile sind die gleichen wie beim Halbleitersubstrat im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. Die Anordnung der Anoden-, Kathoden- und Steuerelektroden und des Passivierungsmaterials sind ebenfalls die gleichen wie bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel und werden daher nicht nochmals erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Hilfselektrode 8 unter Verwendung von Aluminium als Lötmaterial wie die Anodenelektrode 5 fest angebracht. Sie kann durch Aufdampfen von Aluminium in Ringform im Umfangsbereich 300 des Halbleitersubstrats 10 wie auch bei der Anbringung der Anodenelektrode 5 angebracht werden. Die stark P-dotierte Schicht 40 wird auf der Oberfläche gebildet, wo die Hilfselektrode 8 angebracht wird. Als sie durch einen thermischen Prozeß von 700°C und 10 min angebracht wurde, hatte die gebildete stark dotierte Schicht eine Tiefe von 2-3 µm.

Fig. 16 veranschaulicht die Funktion der Hilfselektrode 8 und zeigt nur den Endteil des Ausführungsbeispiels nach Fig. 15 in vergrößertem Maßstab. In Fig. 16 sind die elektrischen Kraftlinien, die im Passivierungsmaterial 200 auftreten, wenn eine Spannung der dargestellten Polarität zwischen der Anodenelektrode 5 und der Kathodenelektrode 6 angelegt wird, durch gestrichelte Linien 30 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel bringt den folgenden Vorteil zusätzlich zu den beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 erzielten Vorteilen. Da Aluminum als das Lötmaterial zur Anbringung der Hilfselektrode verwendet wird, bildet sich eine eutektische Al-Si-Schicht im Verbindungsbereich der Hilfselektrode im Halbleitersubstat, und die stark P⁺-dotierte Schicht 40 wird zwangsläufig gebildet. Wegen der Bildung der P⁺-Schicht 40 neigt, abgesehen vom Sammeleffekt, die Oberfläche der P-Basisschicht viel weniger dazu, zum N-Typ invertiert zu werden. So liefert sie eine zusätzliche Funktion eines Kanalanhalters. Weiter verbessert die Verbindung der Hilfselektrode 8 mit der Kathodenelektrode die mechanische Festigkeit des Endteils. Außerdem wird, wenn das Bauelement in einer flachen Packung abzudichten ist, ein innerer Puffer an die Kathodenelektrode 6 gedrückt, um die elektrischen und thermischen Verformungsprobleme zu kompensieren, und die Hilfselektrode 8 läßt sich beim Drücken des inneren Puffers als Lageeinstell-Bezugsmarkierung verwenden.

Das Verfahren zur Bildung der P⁺-Schicht 40 muß nicht durch ein Legierungsverfahren des Aluminiumlötmaterials und des Siliziumsubstrats erfolgen. Die P⁺-Schicht kann unabhängig von der Anbringung der Hilfselektrode gebildet werden, um den Kanalanhalteffekt zu erzielen. Beispielsweise kann beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 Bor mit hoher Konzentration am Umfang der Hauptoberfläche 102 zur Bildung des Kanalanhalters eindiffundiert werden.

Alternativ kann der Endteil des Halbleitersubstrats 10 zu einem Doppelabschrägungsaufbau geformt werden, wie er in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 8 und 12 gezeigt ist.

Bei den in Fig. 17 und 18 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die als Kanalanhalter dienende, stark P-dotierte Schicht 40 nicht nur in der P-Basisschicht des Halbleitersubstrats 10, sondern auch in der P-Emitterschicht ausgebildet. Fig. 17 zeigt das Halbleitersubstrat 10 mit dem Endteil von Sigmakontur, und Fig. 18 zeigt das Halbleitersubstrat 10 mit dem konvexen Aufbau, bei dem beide Übergänge J₁ und J₂ negative Abschrägungen aufweisen. Die Hilfselektroden 8 und 9 in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 17 und 18 ragen von den P-Schichten vor und bedecken deren gesamten Umfänge. Das vewendete Material ist Wolfram. Es kann jedoch jedes als Elektrodenmaterial brauchbare Material verwendet werden. Silizium oder Molybdän können unter Berücksichtigung der Wärmeverziehung und der Verformbarkeit verwendet werden. Die Hilfselektroden 8 und 9 werden mit Legierungsbindung unter Verwendung von Aluminium als Lötmaterial angebracht. Die Verbindung erfolgt durch Aufdampfen von Aluminium in Ringform auf den Umfangsbereich 300 des Halbleitersubstats 10, Kontaktierung der Hilfselektroden 8 und 9 darauf und deren Erhitzung auf eine höhere Temperatur als dem Schmelzpunkt des Aluminiums. Dabei wird die stark P-dotierte Schicht 40 an der Verbindungsfläche der Hilfselektroden 8 und 9 gebildet. Als sie nach dem thermischen Prozeß bei 700°C in 10 min angebracht wurden, hatte die dabei gebildete stark dotierte Schicht eine Dicke von 2-3 µm.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Anodenlektrode durch Aufdampfen von Aluminium auf die Oberfläche der P-Emitterschicht gebildet. Demgemäß wird der unerwünschte Effekt aufgrund der Wärmeverziehung vermieden. Außerdem ist, da die Hilfselektroden 8 und 9 an den Endteilen befestigt sind, die mechanische Festigkeit der Endteile verbesesert. Wenn das Bauelement in einer flachen Packung abzudichten ist, ist es nicht erwünscht, das Halbleitersubstrat 10 direkt auf eine Verbindungselektrode zu drücken (die üblicherweise ein Kupferbauteil ist), die als guter Wärmeleiter und als Kühlblech dient, da es sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleitermaterials erheblich von dem des Kupfers unterscheidet und daher eine Wärmeverziehung im Halbleitersubstrat auftreten kann, was zur Verschlechterung des Bauelements führen kann. Um das obige Problem zu vermeiden, wird gewöhnlich ein innerer Puffer zwischen dem Halbleitersubstrat und der Verbindungselektrode angebracht, um die elektrischen und thermischen Verformungsprobleme zu kompensieren. Das Paar der Hilfselektroden 8 und 9 kann als Lageeinstell-Bezugsmarkierung beim Einlegen des inneren Puffers verwendet werden.

Während die stark P-dotierte Schicht 40 dieses Ausführungsbeispiels durch Legieren des Aluminiumlötmaterials und des Halbleitersubstrats gebildet wird, kann sie auch durch Eindiffundieren eines Dotierstoffs, wie z. B. Bor, mit hoher Konzentration gebildet werden. In diesem Fall kann die stark P-dotierte, als Kanalanhalter dienende Schicht 40 unabhängig von Verbindungsvorgang der Hilfselektroden 8 und 9 gebildet werden.

Die Erfindung ist zusätzlich zu dem in den Ausführungsbeispielen gezeigten Thyristor auch auf verschiedene Arten von Halbleiteranordnungen, wie z. B. Dioden. Transistoren, rückwärtsleitende Thyristoren und Bilateral-Transistoren, anwendbar.

Anstelle des beschriebenen organischen Passivierungsmaterials kann auch anorganisches Material, wie z. B. Glas verwendet werden.

Bei der Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist die Menge von an der Oberfläche der Halbleiterschicht angesammelten Verunreinigungsionen gering, und daher wächst der Ableitungsstrom nicht, auch nachdem eine hohe Spannung von beispielsweise 3 kV bis 6 kV für eine lange Zeitdauer gesperrt wurde. Daher hat die Halbleiteranordnung nach der Erfindung eine äußerst hohe Stabilität.

Claims

1. Halbleiteranordnung mit
einem Halbleitersubstrat (10) mit einem Paar von Hauptoberflächen (101, 102), einer das Paar der Hauptoberflächen (101, 102) verbindenden Seitenfläche (103) und wenigstens einem im Halbleitersubstrat (10) zwischen dem Paar der Hauptoberflächen (101, 102) gebildeten PN-Übergang (J₁, J₂) mit einem an der Seitenfläche (103) freiliegenden Rand,
einem Paar von auf dem Paar der Hauptoberflächen (101, 102) des Halbleitersubstrats (10) gebildeten Hauptelektroden (5, 6),
einem zum Bedecken der Seitenfläche (103) des Halbleitersubstrats (10) angebrachten Passivierungsmaterial (200) und
einem Paar von leitenden Teilen (8, 9), die längs des Paares der Hauptelektroden (5, 6) angeordnet und elektrisch damit verbnden sind, im wesentlichen parallel zum Paar der Hauptoberflächen (101, 102) nach außerhalb der Kanten beider Hauptoberflächen (101, 102) des Halbleitersubstrats (10) vorragen und im vorragenden Teil im Kontakt mit dem Passivierungsmaterial (200) stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkanten der nach außerhalb der Kanten der angrenzendnen Hauptoberfläche (101, 102) des Halbleitersubstrats (10) vorragenden Abschnitte des Paars der leitenden Teile (8, 9) in bezug auf die zu den Hauptoberflächen (101, 102) des Halbleitersubstrates (10) senkrechte Richtung miteinander fluchten.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer des Paares der leitenden Teile (8, 9) aus dem gleichen Material wie dem der daran angrenzenden Hauptelektrode (5, 6) gebildet und mit der angrenzenden Hauptelektrode (5, 6) einstückig ist.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkante des einen leitenden Teils (8) einen zur Endkante des anderen leitenden Teils (5) hin umgebogenen Randteil (8 a) aufweist (Fig. 11, 12).

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkanten jedes der beiden leitenden Teile (8, 9) je einen zu den Endkanten des anderen leitenden Teils (9, 8) hin umgebogenen Randteil (8 a, 9 a) aufweisen (Fig. 13, 14).