DE3028134A1

DE3028134A1 - Lichtgesteuerte halbleiteranordnung und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3028134A1
Application number: DE19803028134
Authority: DE
Inventors: Nobutake Konishi; Masayoshi Naito; Yoshio Terasawa; Tsutomu Yatsuo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1980-07-24
Publication date: 1981-02-05
Also published as: DE3028134C2; JPS5623776A; JPS5945233B2; CH654447A5; US4404580A

Description

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Die Erfindung betrifft eine lichtgesteuerte Halbleiteranordnung, insbesondere einen lichtgesteuerten Thyristor mit hohem Schaltvermögen, sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Halbleiteranordnungen.

Ein lichtgesteuerter Thyristor, der die Funktion hat_r aus einem in Durchlaßrichtung gesperrten Zustand in den leitenden Zustand umzuschalten, wenn er mit Licht bestrahlt wird, besteht aus mindestens vier p-n-p-n-Schichten, einem Paar von Hauptelektroden, die in Ohra'schem Kontakt mit den beiden Außenschichten der vier Schichten liegen, und einem Teil, das mit dem Lichtauslösesignal bestrahlt wird. Verglichen mit einem elektrisch gesteuerten Thyristor, hat der lichtgesteuerte Thyristor den Vorteil, daß aufgrund des Urastandes, daß eine Haupt— schaltung und eine Steuerschaltung oder Torschaltung elektrisch isoliert werden können, die Steuerschaltung vereinfacht werden kann; der weitere Vorteil besteht darin, daß die Schaltung unempfindlich gegenüber Rauschen aufgrund der elektromagnetischen Induktion ist. Somit ist die Entwicklung von für hohe Spannungen geeignete, lichtgesteuerte Thyristoren, die diese Vorteile besitzen, wichtig geworden.

Eine lichtgesteuerte Halbleiteranordnung dieser Art ist in der US-PS 38 93 153 beschrieben. Als eines der Probleme in diesem Falle ist erwähnt, daß je mehr das dV/dt Leistungsvermögen ansteigt, desto schlechter wird die Lichtzündungs-Empfindlichkeit. Das bedeutet, das dV/dt Leistungsvermögen und die Lichtzündungs-Empfindlichkeit sind einander entgegengesetzte Erfordernisse.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine lichtgesteuerte Halbleiteranordnung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, die in der Lage sind, das dV/dt Leistungsvermögen unter Aufrechterhaltung der Lichtempfindlich-

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lceit zu erhöhen, was gleichbedeutend damit ist, die
Lichtempfindlichkeit unter Beibehaltung des dV/dt Leistungsvermögens zu steigern.

Zur Erreichung dieses Zieles ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, daß ein Halbleiterkörper verwendet wird,
bei dem vier p-n-p-n-Schichten in der erwähnten Reihenfolge übereinander geschichtet sind, wobei eine Halbleiterschicht geringer Dichte zwischen eine äußere
Schicht auf der Seite der Kathodenelektrode und eine
an die äußere Schicht angrenzende innere Schicht eingefügt ist und wobei die Verunreinig ungsdichte der
Halbleiterscliicht geringer Dichte geringer ist als der Maximalwert der Verunreinigungsdichte der einen inneren Schicht in einem an die innere Schicht angrenzenden Teil. Außerdem wird gemäß der Erfindung dafür gesorgt, daß die Bestrahlung mit Licht von der freiliegenden Oberfläche der einen äußeren Schicht auf der Seite der Kathodenelektrode der erwähnten Vierschichtenanordnung erfolgt. 20

Wenn bei einem Aufbau der nachstehend näher beschriebenen Art eine Spannung mit hohem dV/dt Wert im in Durchlaßrichtung gesperrtem Zustand angelegt wird, werden die
vom Teil hoher Dichte der einen äußeren Schicht auf der Seite der Kathodenelektrode in die eine innere Schicht zu injizierenden Träger durch die Halbleiterschicht geringer Dichte begrenzt und das dV/dt Leistungsvermögen gesteigert. Darüberhinaus wird die im Halbleiter durch die Bestrahlung mit dem Lichtsignal zu erregende Menge an Elektronen-Löcher-Paaren nicht in beträchtlicher

Weise durch das Vorhandensein der oben erwähnten Halbleiterschicht geringer Dichte beeinträchtigt, so daß
eine Verringerung der Lichtempfindlichkeit nicht problematisch ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung

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von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig· 1 eine perspektivische Darstellung im Schnitt

einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines lichtgesteuerten Thyristors;

Fig. 2a bis 2d Darstellungen zur Erläuterung der verschiedenen Schritte des erfindungsgemäßen

Verfahrens zur Herstellung derartiger Bauelemente ;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Verunreinigungsdichteprofils längs der Linie C-C in

Fig. 2d;

Fig* k ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen N2/N1 (als Verhältnis des Maximalwertes N2 der Verunreinigungsdichte der

zweiten Basisschicht PB zur Verunreinigungsdichte Nl des ersten η -leitenden Teiles) und dem dV/dt Leistungsvermögen des Thyristors in Fig. 2d;

Fig· 5t 7 und 8 Darstellungen im Schnitt von weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Thyristors; und in

Fig. 6a bis 6f Darstellungen zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens für den Thyristor gemäß Fig.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper zur Herstellung der neuartigen Thyristoranordnung vor-_ gesehen. Im Halbleiterkörper 100 sind ein erster Thyristor und ein zweiter Thyristor 2 in paralleler Anordnung vor-

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gesehen, wobei der Thyristor 1 der primäre oder Last— thyristor und der Thyristor 2 der Steuer- oder Aktivierung sthyristor ist«

Jeder Thyristor hat vier Verunreinigungsbereiche mit abwechselndem Trägertyp, die abwechselnd im Halbleiterkörper 1 zwischen den beiden Hauptflächen 101 und 102 angeordnet sind» Der erste oder primäre Thyristor 1 hat einen ersten Verunreinigungsbereich PE mit einer Leitfähigkeit vom P-Typ im Halbleiterkörper 100, der an die erste Hauptfläche 101 angrenzt, um einen ersten Emitterbereich 11 zu bilden; einen zweiten Verunreinigungsbereich nB mit einer Leitfähigkeit vom η-Typ, der an den ersten Verunreinigungsbereich PE im Inneren des Halbleiterkörpers 100 angrenzt, um den ersten Basisbereich 12 zu bilden; einen dritten Verunreinigungsbereich PB mit einer Leitfähigkeit vom P-Typ, der an den zweiten Verunreinigungsbereich nB im Inneren des Halbleiterkörpers 100 angrenzt, um einen zweiten Basisbereich 13 zu bilden; und einen vierten Verunreinigungsbereich, der an den dritten Verunreinigungsbereich PB im Inneren des Halbleiterkörpers 100 sowie an die zweite Hauptfläche 102 angrenzt, um den zweiten Emitterbereich l4 zu bilden.

Die Verunreinigungsbereiche 11, 12 und 13 erstrecken sich durch den Halbleiterkörper 100 und bilden somit gemeinsame erste Emitterbereiche, erste Basisbereiche und zweite Basisbereiche für den zweiten Thyristor 2. Ein fünfter Verunreinigungsbereich ist vorgesehen, der an die zweite Hauptfläche 102 im Abstand von dem zweiten Emitterbereich l4 angrenzt, um einen zweiten Emitterbereich für den zweiten Thyristor 2 zu bilden. Dieser zweite Emitterbereich des zweiten Thyristors 2 hat einen ersten Bereich n~ mit einer Leitfähigkeit vom n~-Typ im

Cd

Halbleiterkörper 100, der an den zweiten Basisbereich 13 angrenzt und einen zweiten Emitterbereich 400 bildet,

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ORIGINAL INSPECTED

sowie einen zweiten Bereich n„ mit einer Leitfähigkeit vom η -Typ im Halbleiterkörper 100, der an den ersten Bereich n~ und die zweite Hauptfläche 102 angrenzt und einen zweiten Emitterbereich 40 bildet»

Der gemeinsame zweite Basisbereich 13 grenzt außerdem in unterbrochener Weise an den zweiten Emitterbereich 14 des ersten Thyristors 1 an und bildet Nebenschlußwiderstände, Überbrückungen bzw. Öffnungen.

Durch Diffusion des zweiten Emitterbereiches l4 können die Nebenschlußwiderstände 401 in unterbrochener Weise ausgebildet werden, wobei der zweite Basisbereich 13 an die zweite Hauptfläche 102 angrenzend bleibt. Gleich— zeitig werden Zwischenteile 402 des zweiten Basisbereiches 13 zwischen dem zweiten Emitterbereich 14 und den zweiten Emitterbereichen 40 und 400 der ersten und zweiten Thyristoren gebildet, wobei der zweite Basisbereich 13 an die Hauptfläche 102 angrenzend bleibt.

Eine Anodenelektrode l6 ist auf der ersten Hauptfläche 101 vorgesehen und bildet einen 0hm·sehen Kontakt mit dem gemeinsamen ersten Emitterbereich 11 der beiden Thyristoren 1 und 2.

Eine Kathodenelektrode 17 ist auf der zweiten Hauptfläche 102 angeordnet und bildet einen 0hm·sehen Kontakt mit dem zweiten Emitterbereich l4 des ersten Thyristors 1. Die Kathodenelektrode 17 bildet außerdem einen 0hm'sehen Kontakt mit dem zweiten Basisbereich 13 des ersten Thyristors 1 an den hindurchgehenden Nebenschlußwiderständen 401.

Zur Vervollständigung der Thyristoranordnung ist außerdem ein Floatingkontakt 15 auf der zweiten Hauptfläche 102 des zweiten Thyristors 2 rittlings auf zumindest einem Teil des Zwischenteiles 402 angeordnet. Der Floating-

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kontakt 15 bildet somit einen Ohm¹sehen Kontakt mit dem gemeinsamen zweiten Basisbereich 13 zwischen den Thyristoren 1 und 2 und mit dem zweiten Emitterbereich 40 und 4OO des zweiten Thyristors 2, während der wessntliehe Teil der zweiten Hauptfläche 102, der an den zweiten Emitterbereich ^O angrenzt, freigelassen wird.

In den verschiedenen Darstellungen in Fig. 2a bis 2d sind Schnitte zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens für eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thyristors dargestellt.

Zunächst wird Aluminium, das ein Dotierungsmaterial vom p-Typ ist, in die beiden Hauptflächen eines n-leitenden Siliciumsubstrats 100 mit einem spezifischen Widerstand von 250ßcm eindiffundiert, um eine p-leitende Emitterschicht 11 und eine p-leitende Basisschicht 13 zu bilden, wobei der übrige Teil des Siliciumsubstrats 100 zu einer η-leitenden Basisschicht 12 wird (vgl. Fig. 2a). Anschliessend wird eine η-leitende Schicht 400 unter Verwendung eines Epitaxialverfahrens ausgebildet. Das epitaxiale Anbauen kann selektiv durchgeführt werden, wie es in Fig. 2b dargestellt ist, oder alternativ dazu kann nach der Durchführung des epitaxialen Anwachsens über die gesatnte freiliegende Oberfläche der p-leitenden Basisschicht 13 eine η-leitende Schicht 400 durch ein Ätzverfahren übrig gelassen werden, wie es in Fig. 2b dargestellt ist. Beim nächsten Schritt wird Phosphor, der ein n-leitendes Dotierungsmaterial ist, in sämtliche Bereiche der freiliegenden Hauptfläche der p-leitenden Basisschicht 13 und die freiliegende Fläche der η-leitenden Schicht 400 eindiffundiert, um eine η-leitende Emitterschicht l4 zu bilden (vgl. Fig. 2c). Anschließend wird eine ringförmige Nut ^02 gebildet, die bis an die p-leitende Basis— schicht 13 heranreicht, um den Bereich des zweiten Thyristors 2 und den Bereich des ersten Thyristors 1 zu isolieren;

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ferner wird eine große Anzahl von Kurzschlußöffnungen 401 in ähnlicher Weise ausgebildet. Eine Anodenelektrode l6, eine Kathodenelektrode 17 und ein Floatingkontakt 15 werden unter Verwendung von Aluminium oder dergl. ausgebildet. Der Floatingkontakt 15 bildet einen Kurzschluß der η "Emitterschicht 40 mit der p-leitenden Basisschicht 13 am äußeren Umfang der η-leitenden Emitterschicht 40 und bildet gleichzeitig eine Öffnung 500, durch welche eine Bestrahlung mit Licht erfolgt (vgl. Fig. 2d). Das Verunreinigungsdichteprofil längs einer Linie C-C des lichtgesteuerten Thyristors gemäß Fig. 2d ist in Fig. 3 dargestellt. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Verunreinigungsdichte Nl der n"-leitenden Emitterschicht 400 geringer ist als die maximale Dichte N2 der p-leitenden Basisschicht 13·

Der Halbleiterkörper 100 besitzt eine gleichmäßige Verunreinigungskonzentration, die an jeder Oberfläche wegen der Diffusionsprozeße zur Herstellung der Bereiche 11 und 13 abnimmt. Der Bereich 11 hat ein Verunreinigungsprofil, das eine zunehmende Verunreinigungskonzen-

14 20 3

tration von 10 bis 10 Atomen pro cm aufweist, und eine Dicke von 50 pm bis 200 um. Das Verunreinigungsprofil des Bereiches 13 hat ein geringeres Maximum als der Bereich 11.

Der Bereich 13 hat ein Verunreinigungsprofil, das eine

13 zunehmende Verunreinigungskonzentration von 10 bis

17 3

10 Atomen pro cm aufweist, und eine Dicke von 50 pn bis 130 um. Der Bereich 12 hat ein Verunreinigungsprofil, das eine gleichmäßige Verunreinigungskonzentration von

13 l4 3

10 bis 10 Atomen pro cm aufweist, und eine Dicke von 500 um bis 1200 um. Der Bereich 400 als erstes Teil hat ein Verunreinigungsprofil, das eine gleichmäßige Ver- —

13 3

unreinigungskonzentration von 10 Atomen pro cm^ aufweist, und eine Dicke von 10 um bis 30 pm. Der Bereich kO als

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zweites Teil hat ein Verunreinigungsprofil, das eine

13

zunehmende Verunreinigungskonzentration von 10 bis

21 3

10 Atomen pro cm aufweist, und eine Dicke von 5 V-m bis 12 um.

Der Bereich 13 mit seiner anfänglich zunehmenden Verunreinigungskonzentration vezb'gert das Fliessen von Elektronen durch den Bereich 13 und in den Bereich 12.

Wenn der lichtgesteuerte Thyristor 100 der hier beschriebenen Art sich im in Durchlaßrichtung gesperrten Zustand befindet, ist die Trägerdichte der n~-leltenden zweiten Emitterschicht 400 am p-n-Ubergang J3 geringer als die der p-leitenden zweiten Basisschicht 13· Hinsichtlich des durch den p-n-Übergang J3 hindurchfliessenden Stromes herrscht somit ein Löcherstrom vor, während der Stromwert klein ist, so daß die Menge an Elektronen, die von den η-leitenden zweiten Emitterschichten 400 und 40 durch den p-n-Übergang J3 in die p-leitende zweite Basisschicht 13 injiziert wird, klein ist.

Auch wenn eine Durchlaßspannung mit hohem dV/dt Wert an die Kathodenelektrode 17 und die Anodenelektrode l6 angelegt wird, wird aus diesem Grunde eine kleine Menge an Elektronen aus den η-leitenden zweiten Emitterschichten 400 und kO in die p-leitende zweite Basisschicht 13 injiziert. Dementsprechend wird die Unzulänglichkeit eines herkömmlichen Thyristors gemäß der US-PS 38 93 153 vermieden, wo eine fehlerhafte Zündung durch Elektronen erfolgen kann, die von der η-leitenden zweiten Emitterschicht k0 in die p-leitende zweite Basisschicht 13 injiziert werden.

Um den erfindungsgemäßen Thyristor aus seinem in Durchlaßrichtung gesperrten Zustand einzuschalten, und zwar in einem Zustand, wo eine negative Spannung gegenüber der Anodenelektrode l6 an die Kathodenelektrode 17 sowie

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den Floatingkontakt 15 angelegt ist, wird Licht mit einer Energie oberhalb von 1,1 eV als Energieabstand von Silicium, d.h. unterhalb von 1,15 ^utn ausgedrückt in Wellenlängen, beispielsweise Licht 600 einer lichtemittierenden Galliumarsenid—Diode (GaAs LED) mit einer Wellenlänge von 0,9 um durch die Öffnung 500 des Floatingkontaktes 15 eingestrahlt. Durch die Einstrahlung des Lichtes treten Elektronen-Löcher-Paare innerhalb des η-leitenden zweiten Emitterbereiches 400, des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 und des η-leitenden ersten Basisbereiches 12 auf. Somit wird der η-leitende zweite Emitterbereich 400 mit Trägern aufgefüllt, und zwar mit Löchern, die vom p-leitenden zweiten Basisbereich 13 in den n-leitenden Emitterbereich 400 injiziert werden, den vom n-leitenden zweiten Emitterbereich k0 in den η-leitenden zweiten Einitterbereich 400 injizierten Elektronen und den durch die Lichtbestrahlung innerhalb des η-leitenden Emitterbereiches 400 erzeugten Elektronen-Löcher-Paaren. Infolgedessen wird die Differenz der Trägerdichten klein zwischen der Seite des η-leitenden zweiten Emitterbereiches 400 und der Seite des p-leitenden Basisbereiches 13 des p-n— ijßerganges J3, und die Potentialsperre am p-n-Übergang J3 sinkt unter den Wert der thermischen Energie ab und verschwindet im wesentlichen. Diese thermische Energie beträgt ungefähr 35 mV bei 125°C und 26 mV bei 27°C usw.

Aus diesem Grunde wird der η-leitende zweite Emitterbereich 400 im wesentlichen ein kontinuierlicher Basisbereich zum p-leitenden zweiten Basisbereich 13· Zu diesem Zeitpunkt wird der wesentliche p-n-Übergang J3 zur Grenzschicht kkO zwischen dem η-leitenden Emitterbereich k0 und dem η-leitenden Emitterbereich 4θΟ. Da die Elektronendichte des η-leitenden zweiten Emitterbereiches h0 ausreichend hoch ist, werden Elektronen von hier in ausreichendem Maße in den Basisbereich injiziert, so daß der Bereich des zweiten Thyristors 2 oder des Hilfsthyristors eingeschaltet wird. Infolgedessen fließt der Hauptstrom i^

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des zweiten Thyristors 2 in der durch den Pfeil in Fig. 2d angedeuteten Weise. Danach wird der Strom wie bei herkömmlichen Thyristoren mit Gate-Steueranschluß in den η-leitenden zweiten Emitterbereich lk des ersten Thyristors oder Hauptthyristors 1 durch den Floatingkontakt 15 und den p-leitenden zweiten Basisbereich 13 injiziert und sorgt für die Injektion von Elektronen aus dem nleitenden zweiten Emitterbereich l'l, um den Hauptthyristor in den Einschaltzustand zu bringen.

Die Wirkung der erfindungsgetnäßen Ausführungsform wird nachstehend näher erläutert. Unter Verwendung einer lichtemittierenden GaAs-Diode als Lichtquelle wurde ein Lichtsignal mit einer Wellenlänge von 0,9 pm an den lichtgesteuerten Thyristor gemäß Fig. 2d sowie die herkömmliche Ausführungsform nach der US-PS 38 93 153 angelegt. Das Lichtsignal ist dabei ein Lichtstrahl mit einem Durchmesser von ungefähr 1 mm, während ein Linhtbestrahlungsteil, also die freiliegende Oberfläche des η-leitenden zweiten Emitterbereiches 40, einen Durchmesser von 6 mm hat.

Im Ergebnis wird die hier beschriebene Ausführungsform gezündet, indem man einen Strom von 50 raA durch die lichtemittierende GaAs-Diode leitet, während die Ausführungsform nach dem Stande der Technik gezündet wird, indem man einen Strom von k0 mA hindurchleitet. Das dV/dt Leistungsvermögen beträgt ungefähr Ί000 V/s bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform, während sie ungefähr 1000 V/s bei der Ausführungsform nach dem Stande der Technik beträgt. Das Lichtemissions-Ausgangssignal der GaAs-Diode ist im wesentlichen proportional zur Größe des hindurchfliessenden Stromes, so daß im Vergleich zur Ausführungsform gemäß dem Stande der Technik die erfindungsgemäße Ausführungsform ein viermal so hohes dV/dt Leistungsvermögen besitzt, während die Lichtempfindlichkeit nur auf einen Faktor von 0,8 absinkt. Das bedeutet, daß

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das dV/dt Leistungsvermögen bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform erheblich gesteigert werden kann, ohne dabei die Lichtempfindlichkeit in einem Ausmaße zu verringern, die in der Praxis Probleme aufwerfen.

Mit der erfindungsgemäßen Bauform kann die Lichtempfindlichkeit erhöht werden, ohne das dV/dt Leistungsvermögen zu verschlechtern. Die Lichtempfindlichkeit eines lichtgesteuerten Thyristors der Bauart, die einen p-n-p-n Vierschichtenaufbau hat und bei der eine Bestrahlung mit Licht von einer äußeren Schicht erfolgt, schwankt in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen dem Bereich der einen äußeren Schicht und dem mit Licht bestrahlten Bereich auf der freiliegenden Hauptfläche der einen äußeren Schicht, und wenn das Lichtsignal fest ist, wird die Lichtempfindlichkeit oder das Lichtansprechvermögen größer werden, wenn der Bereich des einen Leistungsvermögens mehr abnimmt als der Bereich der einen äußeren Schicht größer ist. Bislang war somit eine Steigerung der Lichtempfindlichkeit ohne eine Verschlechterung des dV/dt-Leistungsvermögens begrenzt. Im Gegensatz dazu kann, wie bereits erwähnt, gemäß der Erfindung das dV/dt Leistungsvermögen gesteigert werden, ohne die Lichtempfindlichkeit oder das Lichtansprechvermögen zu beeinträchtigen. Dementsprechend kann die Lichtempfindlichkeit gesteigert werden, ohne das dV/dt Leistungsvermögen zu verschlechtern, indem man einen erfindungsgemäßen Aufbau verwendet und den Bereich der mit Licht bestrahlten äußeren Schicht vergrößert.

Nachstehend ist eine nähere Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung im Leitungszustand gegeben. In Fig. 3 ist die Trägerdichte im Leitungszustand angegeben. In Fig. 3 bezeichnen die ausgezogene Linie 600a, die strichlierte Linie 700 und die strichpunktierte Linie 800 die Verun- ._ reinigungsdichte, die Elektronendichte bzw. die Löcherdichte der jeweiligen leitenden Schichten oder Bereiche 11, 12, 13, 400 bzw. kO. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird

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der η -leitende zweite Emitterbereich 40Q mit Trägern . auf einen Wert aufgefüllt, der ungefähr gleich dem Maximalwert der Verunreinigungsdichte des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 ist. Wie bereits erwähnt, wird somit die Differenz der Trägerdichten klein zwischen der Seite des η-leitenden zweiten Emitterbereiches 400 und der Seite des p-leitenden Basisbereiches 13 des p-n-Uberganges J3» so daß der Leitungszustand leicht aufrechterhalten wird. Außerdem kann der Spannungsabfall des Halbleiterkörpers 100 im Leitungszustand in einem Maße unterdrückt werden, daß er den Betrieb in der Praxis nicht beeinträchtigt.

Nachstehend ist eine Erläuterung für den Zusammenhang zwischen der Verunreinigungsdichte Nl des η -leitenden Bereiches 4θΟ und der Verunreinigungsdichte N2 des pleitenden zweiten Basisbereiches 13 gegeben. Wenn sich der Wert N2/N1 oder das Verhältnis des Maximalwertes

3 N2 zum Wert Nl im Bereich von 1 bis 10 ändert, so ergibt sich die mit 900 in Fig. k bezeichnete Kurve für das dV/dt Leistungsvermögen, gemessen in V/us. Aus Fig. läßt sich entnehmen, daß das dV/dt Leistungsvermögen der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 im Bereich zwischen 1 und 10 keinen Unterschied gegenüber dem herkömmlichen Thyristor hat, jedoch wird das dV/dt Leistungsvermögen der erfindungsgemäßen Ausführungsform

3
im Bereich zwischen 10 und 10 erheblich verbessert.

Wenn man das Verhältnis N2/N1 größer als 10 macht, wird das dV/dt Leistungsvermögen erheblich verbessert. Die obere Grenze für den Wert N2/N1 ist auf ungefähr 10 begrenzt, da die Differenz der Verunreinigungsdichte zwischen den beiden Schichten, die aus einer p-leitenden Schicht und einer η-leitenden Schicht bestehen, aus Gründen der Herstellungstechnik für Thyristoren nicht so groß gemacht werden kann.

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Nachstehend soll eine weitere Ausführungsform näher er-· läutert werden. Der lichtgesteuerte Thyristor gemäß Fig» 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 darin, daß sowohl die freiliegenden Hauptflächen 102 des η-leitenden zweiten Emitterbereiches 40 des zweiten Thyristorbereiches 2 und der erste Thyristorbereich 1 in derselben Ebene liegen. Ein derartiger Aufbau wird in der in Fig. 6a bis 6f dargestellten ¥eise erhalten, indem man einen η-leitenden zweiten Emitterbereich 400 auf dem p-leitenden zweiten Basisbereich 13 in der Weise ausbildet, daß man eine Aussparung 4000 in einem vorgegebenen Teil des Bereiches 13 (vgl. Fig. 6b) in der in Fig. 6c angedeuteten Weise ausfüllt; nach dem Polieren der Oberfläche, wie es in Fig. 6d angedeutet ist, wird die η-leitende zweite Eraitterschicht kO auf den freiliegenden Hauptflächen des η-leitenden zweiten Emitter— bereiches 400 und des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 durch Diffusionsverfahren ausgebildet, wie es in Fig. 6e angedeutet ist. Die anderen Verfahrensschritte gemäß Fig. 6a und 6f sind die gleichen wie beim Herstellungsverfahren gemäß Fig. 2a bis 2d.

Ein derartiger Aufbau bringt den Erfolg mit sich, daß die Lichtempfindlichkeit in hohem Maße verbessert wird, da die Dicke D gemäß Fig. 6f zwischen der Grenzschicht J2 und der Grenzschicht J3 des ersten Bereiches 400 dünn wird, und das Photoätzen zur Herstellung der ringförmigen Nut 402 und der Kurzschlußöffnungen 401 kann mit hoher Präzision durchgeführt werden, da die freiliegenden Hauptflächen 102 des n⁺-leitenden zweiten Emitterbereiches l4 in derselben Ebene liegen.

Der lichtgesteuerte Thyristor gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 darin, daß der n~-leitende zweite Emitterbereich 400 auch im Bereich des ersten Thyristors 1 angeordnet ist. Eine derartige

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Anordnung wird in der Weise erhalten, daß der n~~leitende zweite Emitterbereich 400 auf dem gesagten Bereich der freiliegenden Hauptfläche des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 durch ein Epitaxialverfahren hergestellt und der η -leitende zweite Emitterbereich ^O in der freiliegenden Hauptfläche des η -leitenden zweiten Emitterbereiches 400 durch ein Diffusionsverfahren oder auf dem η -leitenden zweiten Emitterbereich 400 durch ein Epitaxialverfahren ausgebildet wird. Die anderen Herstellungsschritte sind die gleichen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2a bis 2d. Bei einem derartigen Aufbau wird neben der Wirkung aufgrund der Anordnung gemäß Fig. 5 der Schritt zur Herstellung des n~- leitenden Emitterbereiches 400 im ausgewählten Bereich des p-leitenden Basisbereiches 13 weggelassen, um das Herstellungsverfahren zu vereinfachen.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 2a bis 2d und Fig. sind der η-leitende zweite Emitterbereich 40 und der p-leitende zweite Basisbereich 13 kurzgeschlossen, während bei der Ausführungsform nach Fig. 7 der η -leitende zweite Emitterbereich 400 und der p-leitende zweite Basisbereich 13 nicht kurzgeschlossen sind. Dabei war jedoch kein wesentlicher Unterschied festzustellen.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 2a bis 2d und Fig.

kann das Kurzschliessen des η-leitenden zweiten Emitterbereiches kO und des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 ohne weiteres so sein, daß ohne die Anbringung von Kurzschlußöffnungen 4θ1 der η-leitende zweite Emitterbereich kO in ausgewählten Bereichen der Oberfläche des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 durch Diffusionsverfahren ausgebildet wird, wobei das Kurzschliessen der Bereiche 40 und l4 durch eine flache Kathoden- _<_ elektrode 17 erfolgt.

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Fig-. 8a und $b zeigen die oben genannte Ausführungsform₍ Gemäß Fig. 8a wird der n~-leitende zweite Emitterbereich 400 in gleicher Weise wie bei Fig. 2b hergestellt. Nach der Herstellung einer SiO -Schicht auf der freiliegenden Oberfläche 103 des zweiten Basisbereiches 13 durch ein thermisches Oxydationsverfahren oder ein chemisches Verdampfungsverfahren wird die an der Stelle angebrachte SiOg-Schicht, wo die η -leitenden zweiten Eiaitterbereiche lk und '±0 gebildet werden sollen, durch ein Photoätzverfahren entfernt und dann der Phosphor als ein n-leitendes Dotierungsmaterial an dieser Stelle eindiffundiert. Wie in Fig. 8b dargestellt, wird nach dem Entfernen der verbliebenen SiO -Schicht 50 auf der Oberfläche 102 eine Anodenelektrode l6, eine Kathodenelektrode 17 und ein Floatingkontakt 15 unter Verwendung von Aluminium oder dergl. hergestellt.

Zusammenfassend wird somit ein lichtgesteuerter Thyristor mit hohem dV/dt Leistungsvermögen angegeben, indem man erste und zweite Thyristoren als primären Thyristor und Steuerthyristor in einem Halbleiterkörper mit ersten und zweiten Hauptflächen verwendet. Die beiden Thyristoren haben gemeinsame Bereiche für einen ersten Emitter, eine erste Basis und eine zweite Basis sowie im Abstand voneinander angeordnete zweite Emitterbereiche, die an die zweite Hauptfläche des Halbleiterkörpers angrenzen. Der zweite Emitterbereich des zweiten Thyristors besteht aus ersten und zweiten Teilen, wobei jeder Teil einen abgestuften Wert der Verunreinigungskonzentration hat und der erste Teil gegen den zweiten Basisbereich des zweiten Thyristors angrenzt, um ein verzögertes elektrisches Feld zu schaffen. Die zweite Hauptfläche am zweiten Emitterbereich des zweiten Thyristors ist zur Aktivierung des zweiten Thyristors ausgelegt, und zwar mit.elektromagnetischer.

Strahlung mit Wellenlängen, die im wesentlichen der Energiebandbreite des Halbleiterkörpers entsprechen« Die

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Kathodenelektrpde bildet einen Ohm \ schein Kontakt mit dem zweiten Emitterbereich des ersten Thyristors, die Anodenelektrode bildet einen Ohm¹sehen Kontakt mit den gemeinsamen ersten Emitterbereichen. Ein Floatingkontakt bildet ebenfalls einen Ohm¹sehen Kontakt zum zweiten Emitterbereich des zweiten Thyristors und dem gemeinsamen zweiten Basisbereich zwischen den Thyristoren. Mit einer derartigen Anordnung läßt sich bei einem lichtgesteuerten Thyristor das dV/dt Leistungsvermögen in wirksamer Weise steigern, ohne seine Lichtempfindlichkeit zu beeinträchtigen, und umgekehrt.

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Hitachi, Ltd.

DEA-25243 24. Juli 1980

Lichtgesteuerte Halbleiteranordnung und Verfahren zu

ihrer Herstellung

Patentansprüche

li Lichtgesteuerte Halbleiteranordnung, mit ersten und zweiten Halbleiteranordnungen, die in einem Halbleiterkörper mit ersten und zweiten Hauptflächen angeordnet sind, wobei jede Anordnung vier Verunreinigungsbereiche aufweist, die sich zwischen den Hauptflächen durch den Halbleiterkörper erstrecken, wobei die Verunreinigungsbereiche abwechselnde entgegengesetzte Leitfähigkeit mit p-n-Übergängen zwischeneinander haben und nacheinander von der ersten Hauptfläche einen ersten Emitterbereich, einen ersten Basisbereich, einen zweiten Basisbereich und einen zweiten Emitterbereich bilden,

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ORIGINAL INSPECTED

mit gemeinsamen ersten Emitter-, ersten Basis- und zweiter* Basisbereichen für die ersten und zweiten Halbleiteranordnungen ,

mit an den zweiten Emitterbereich der zweiten Halbleiteranordnung angrenzenden Teilen der zweiten Hauptfläche, die zur Aktivierung der zweiten Kalbleiteranordnung mit hindurchgehender elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen ausgelegt sind, die im wesentlichen dem Energieabstand des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers entspricht,

mit auf den ersten bzw. zweiten Haupfcflachen angeordneten Anoden»- und Kathodenelektroden für den Halbleiterkörper, die einen Ohm*sehen Kontakt mit dem gemeinsamen ersten Emitterbereich der beiden Halbleiteranordnungen bzw. dem zweiten Emitterbereich der ersten Halbleiteranordnung bilden,

und mit einem auf der zweiten Hauptfläche angeordneten Floatingkontakt, der einen Ohm¹sehen Kontakt mit dem gemeinsamen zweiten Basisbereich zwischen den Halbleiteranordnungen und dem zweiten Emitterbereich der zweiten Halbleiteranordnung bildet, während der wesentliche Teil der zweiten Hauptfläche, der an den zweiten Emitterbereich der zweiten Halbleiteranordnung angrenzt, für die Aktivierung durch eintretendes Licht frei bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Emitter der zweiten Halbleiteranordnung (2) erste (400) und zweite Teile (40) aufweist, wobei jeder Teil einen abgestuften

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Wert der Verunreinigungskonzentration aufweist und der erste Teil (400) gegen den zweiten Basisbereich (13) angrenzt, so daß ein p-n-Übergang zwischen ihnen gebildet ist, und daß der erste Basisbereich (12) eine geringere Verunreinigungsdichte als der erste Emitter, der zweite Basisbereich (l3) eine höhere Verunreinigungsdichte als der erste Basisbereich (12), der erste Teil (400) hinsichtlich seiner Verunreinigungsdichte einen geringeren Wert als ein Maximalwert der Verunreinigungsdichte des zweiten Basisbereiches (13) und der zweite Teil (40) eine höhere Verunreinigungsdichte als der erste Teil (400) aufweisen.

2. Lichtgesteuerte Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Maximalwert der Verunreinigungsdichte des zweiten Basisbereiches (13) um einen Faktor 10 bis 1000 höher ist als der des ersten Teiles (400).

3. Lichtgesteuerte Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Teil (400) einen Wert der Verunreinigungskonzentration mit zunehmendem Abstand von dem p-n-Übergang zwischen dem zweiten Basisbereich (l3) und dem ersten Teil (400) aufweist.

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hm Lichtgesteuerte Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß der erste Emitterbereich (li) eine Verunreinigungs-

•j^jE. 20 3

konzentration von 10 bis 10 Atomen pro cm und eine Dicke von 50 bis 200 um aufweist,

daß der erste Basisbereich (12) eine Verunreinigungskon-

13 I^ 3

zentration von 10 bis 10 Atomen pro cm und eine Dicke von 500 bis 1200 um aufweist, daß der zweite Basisbereich (13) eine Verunreinigungs-

13 17 3

konzentration von 10 bis 10 Atomen pro cm und eine Dicke von 50 bis 130 um aufweist,

daß der erste Teil (400) eine Verunreinigungskonzentra-

13 3

tion von 10 Atomen pro cm und eine Dicke von 10 bis 30 pm aufweist,

und daß der zweite Teil (4o) eine Verunreinigungskonzen-

13 21 3

tration von 10 bis 10 Atomen pro cm und eine Dicke von 5 bis 15 pm aufweist.

5. Lichtgesteuerte Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der gemeinsame zweite Basisbereich (13) in unterbrochener Weise an den zweiten Emitterbereich (lk) der ersten Halbleiteranordnung (l) unter Bildung von Nebenschlußwiderständen (40l) und zwischen den Emitterbereichen (l4, 40, 400) der ersten und zweiten Halbleiteranordnungen (l, 2) angrenzt, so daß die zweiten Emitterbereiche (l4, 40, 400 ) im Abstand voneinander angeordnet sind,

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und daß die Kathodenelektrode (l?) einen Ohm'sehen Kontakt mit dem zweiten Basisbereich (13) an den Nebenschlüssen CtOl) durch den zweiten Emitterbereich (ΐΛ) der ersten Halbleiteranordnung (l) bildet.

6. Lichtgesteuerte Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß beide freiliegenden Hauptflächen (102) der zweiten Emitterbereiche (l4, 4θ) der ersten und zweiten Halbleiteranordnungen (l, 2) in derselben Ebene liegen.

7. Verfahren zur Herstellung von lichtgesteuerten Halbleiteranordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :

a) Eindiffundieren eines p-leitenden Dotierungsmaterials in beide Hauptflächen eines η-leitenden Siliciumsubstrats zur Ausbildung einer ersten Emitterschicht und einer zweiten Basisschicht, wobei der übrige Teil des Siliciumsubstrats zur ersten Basisschicht wird,

b) Ausbilden einer η-leitenden Schicht, die an die zweite Hauptfläche der zweiten Halbleiteranordnung angrenzt, zur Ausbildung des ersten Teiles der zweiten Halbleiteranordnung unter Verwendung eines Epitaxialverfahrens,

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c) Eindiffundieren eines η-leitenden Dotxerungsmaterials in die gesamten Bereiche der freiliegenden Hauptfläche der zweiten Basisschicht und der freiliegenden Oberfläche des ersten Teiles zur Herstellung des zweiten Emitterbereiches der ersten Halbleiteranordnung bzw. des zweiten Teiles,

d) Herstellen einer geschlossenen Nut auf der zweiten Oberfläche, wobei die Nut bis zur zweiten Basisschicht reicht, um die zweite Halbleiteranordnung und die erste Halbleiteranordnung zu isolieren,

e) Ausbilden einer großen Anzahl von Kurzschlußöffnungen zur Herstellung von Nebenschlüssen und

f) Herstellen von Anodenelektrode, Kathodenelektrode und Floatingkontakt auf der gemeinsamen ersten Fläehe, der zweiten Fläche der ersten Halbleiteranordnung und der zweiten Fläche der zweiten Halbleiteranordnung.

8. Verfahren zur Herstellung von lichtgesteuerten HaIbleiteranordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
a) Eindiffundieren eines p-leitenden Dotierungsmaterxals in beide Hauptflächen eines η-leitenden Siliciumsubstrats zur Herstellung der ersten Emitterschicht und der zweiten Basisschicht, während der übrige Teil des Siliciumsubstrats zur ersten Basisschicht gemacht wird,

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b) Herstellen einer Aussparung in der freiliegenden zweiten Basisschicht der zweiten Halbleiteranordnung,

c) Herstellen einer η-leitenden Schicht innerhalb der Aussparung zur Ausbildung des ersten Teiles unter Verwendung eines Epitaxialverfahrens,

d) Eindiffundieren eines η-leitenden Dotierungsmaterials in die gesamten Bereiche der freiliegenden Hauptfläche der zweiten Basisschicht und der freiliegenden Oberfläche des ersten Teiles zur Herstellung des zweiten Emitterbereiches der ersten Halbleiteranordnung bzw. des zweiten Teiles,

e) Herstellen einer geschlossenen Nut auf der zweiten Oberfläche, wobei diese Nut bis an die zweite Basisschicht heranreicht, um die zweite Halbleiteranordnung und die erste Halbleiteranordnung zu isolieren,

f) Herstellen einer großen Anzahl von Kurzschlußöffnungen zur Ausbildung von Nebenschlüssen und

g) Herstellen von Anodenelektrode, Kathodenelektrode und Floatingkontakt auf der gemeinsamen ersten Fläche, der zweiten Fläche der ersten Halbleiteranordnung und der zweiten Fläche der zweiten Halbleiteranordnung.

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