DE3028134C2

DE3028134C2 - Lichtgesteuerter Halbleitergleichrichter

Info

Publication number: DE3028134C2
Application number: DE3028134A
Authority: DE
Inventors: Nobutake Hitachiota Ibaraki Konishi; Masayoshi Katsuta Ibaraki Naito; Yoshio Katsuta Ibaraki Terasawa; Tsutomu Hitachi Ibaraki Yatsuo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1980-07-24
Publication date: 1987-05-07
Also published as: CH654447A5; DE3028134A1; JPS5623776A; US4404580A; JPS5945233B2

Description

Die Erfindung betrifft einen lichtgesteuerten Halbleitergleichrichter gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Ein derartiger aus der US PS 38 93 153 bekannter Halbleitergleichrichter hat verglichen mit einem elektrisch gesteuerten Gleichrichter den Vorteil, daß aufgrund des Umstandes, daß die Hauptschaltung und die Steuerschaltung elektrisch isoliert werden können, die Steuerschaltung vereinfacht werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schaltung unempfindlich gegenüber einem Rauschen aufgrund einer elektromagnetischen Induktion ist.

Der aus der US PS 38 93 153 bekannte lichtgesteuerte Gleichrichter soll ein hohes dI/dt Leistungsvermögen haben und schon bei kleinen Lichtintensitäten schalten.

Bei dem bekannten lichtgesteuerten Halbleitergleichrichter besteht jedoch insofern ein Problem, als mit steigendem dV/dt Leistungsvermögen die Lichtzündungsempfindlichkeit abnimmt. Das bedeutet, daß das dV/dt Leistungsvermögen und die Lichtzündungsempfindlichkeit einander entgegengesetzte Erfordernisse darstellen.

Aus der DE OS 25 13 458 ist eine weitere lichtgesteuerte Halbleiteranordnung bekannt, bei der der Stromverstärkungsfaktor hFE in der Emitterbasisschaltung verbessert und die Sperrspannungsgrenze hoch sein soll.

Wie es aus "Semiconductor Power Dev." John Wiley & Sons, New York 1977 zu entnehmen ist, kann jedoch selbst bei einer hohen statischen Sperrspannung der dV/dt-Wert gering sein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen lichtgesteuerten Halbleitergleichrichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß das dV/dt Leistungsvermögen bei gleichbleibender Lichtempfindlichkeit erhöht ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen lichtgesteuerten Halbleitergleichrichters sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines derartigen lichtgesteuerten Halbleitergleichrichters ist so ausgebildet, wie es in den Patentansprüchen 5 und 6 jeweils angegeben ist.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine geschnittene perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichters,
Fig. 2a bis 2d Darstellungen zur Erläuterung der verschiedenen Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines derartigen Halbleitergleichrichters,
Fig. 3 in einem Diagramm das Verunreinigungsdichteprofil längs der Linie C-C in Fig. 2d,
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen N 2/N 1, d. h. des Verhältnisses des Maximalwertes N 2 derVerunreinigungsdichte der zweiten Basisschicht PB zur Verunreinigungsdichte N 1 des ersten n^--leitenden Teils, und dem dV/dt Leistungsvermögen des Thyristors in Fig. 2d,
Fig. 5, 7 und 8 Schnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung und
Fig. 6a bis 6f Darstellungen zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens des in Fig. 5 dargestellten Thyristors.
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, sind in einem Halbleiterkörper 100 ein erster Thyristor 1 und ein zweiter Thyristor 2 in paralleler Anordnung vorgesehen, wobei der Thyristor 1 der Lasttransistor und der Thyristor 2 ein diesen steuernder optisch gezündeter Hilfsthyristor ist.
Jeder Thyristor hat vier Verunreinigungsbereiche mit abwechselndem Ladungsträgertyp, die abwechselnd im Halbleiterkörper 1 zwischen den beiden Hauptflächen 101 und 102 angeordnet sind. Der 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 n-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, un 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 14 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 14 angrenzt, um einen zweiten Emitterbereich für den zweiten Thyristor 2 zu bilden. Dieser zweite Emitterbereich des zweiten Thyristor 2 hat einen ersten Bereich n^- _E mit einer Leitfähigkeit vom n^--Typ im Halbleiterkörper 100, der an den zweiten Basisbereich 13 angrenzt und einen zweiten Emitterbereich 400 bildet, sowie einen zweiten Bereich n&spplus;_E mit einer Leitfähigkeit vom n&spplus;-Typ im Halbleiterkörper 100, der an den ersten Bereich n^- _E und die zweite Hauptfläche 102 angrenzt und einen zweiten Emitterbereich 40 bildet.
Der gemeinsame zweite Basisbereich 13 grenzt außerdem mit Unterbrechungen an den zweiten Emitterbereich 14 des ersten Thyristors 1 an, wobei dazwischen Nebenschlußwiderstände gebildet sind.
Durch Diffundieren des zweiten Emitterbereiches 14 können die Nebenschlußwiderstände 401 ausgebildet werden, wobei der zweite Basisbereich 13 an die zweite Hauptfläche 102 angrenzend bleibt. Gleichzeitig 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 16 ist auf der ersten Hauptfläche 101 vorgesehen und bildet einen ohmschen 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 ohmschen Kontakt mit dem zweiten Emitterbereich 14 des ersten Thyristors 1. Die Kathodenelektrode 17 bildet außerdem einen ohmschen 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 Floatingkontakt 15 bildet somit einen ohmschen Kontakt mit dem gemeinsamen zweiten Basisbereich 13 zwischen den Thyristoren 1 und 2 und mit dem zweiten Emitterbereich 40 und 400 des zweiten Thyristors 2, während der wesentliche Teil der zweiten Hauptfläche 102, der an den zweiten Emitterbereich 40 angrenzt, freigelassen wird.
In den verschiedenen Darstellungen in Fig. 2a bis 2d sind Schritte 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 250 Ω · cm eindiffundiert, um eine p-leitende Emitterschicht 11 und eine p-leitende Basisschicht 13 zu bilden, wobei der übrige Teil des Siliciumsubstrats 100 zu einer p-leitenden Basisschicht 12 wird (vgl. Fig. 2a). Anschließend wird eine n-leitende Schicht 400 unter Verwendung eines Epitaxie-Verfahrens ausgebildet. Das Epitaxie-Verfahren kann selektiv durchgeführt werden, wie es in Fig. 2b dargestellt ist, oder alternativ dazu kann nach der Durchführung des Epitaxie-Verfahrens über die gesamte freiliegende Oberfläche der p-leitenden Basisschicht 13 eine n-leitende Schicht 400 durch 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 n-leitenden Schicht 400 eindiffundiert, um eine n-leitende Emitterschicht 14 zu bilden (vgl. Fig. 2c). Anschließend wird eine ringförmige Nut 402 gebildet, die bis an die p-leitende Basisschicht 13 heranreicht, um den Bereich des zweiten Thyristors 2 und den Bereich des ersten Thyristors 1 zu isolieren; ferner wird eine große Anzahl von Nebenschlüssen 401 in ähnlicher Weise ausgebildet. Eine Anodenelektrode 16, eine Kathodenelektrode 17 und ein Floatingkontakt 15 werden unter Verwendung von Aluminium oder dergl. ausgebildet. Der Floatingkontakt 15 bildet einen Kurzschluß der n&spplus;_E-Emitterschicht 40 mit der p-leitenden Basisschicht 13 am äußeren Umfang der n-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&min; des lichtgesteuerten Thyristors gemäß Fig. 2d ist in Fig. 3 dargestellt. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Verunreinigungsdichte N 1 der n^--leitenden Emitterschicht 400 geringer ist als die maximale Dichte N 2 der p-leitenden Basisschicht 13.
Der Halbleiterkörper 100 besitzt eine gleichmäßige Verunreinigungskonzentration, die an jeder Oberfläche wegen der Diffussionsprozesse zur Herstellung der Bereiche 11 und 13 abnimmt. Der Bereich 11 hat ein Verunreinigungsprofil, das eine zunehmende Verunreinigungskonzentration von 10¹⁴ bis 10²⁰ Atomen pro cm³ aufweist, und eine Dicke von 50 µm bis 200 µm. Das Verunreinigungsprofil des Bereiches 13 hat ein geringeres Maximum als der Bereich 11.
Der Bereich 13 hat ein Verunreinigungsprofil, das eine zunehmende Verunreinigungskonzentration von 10¹³ bis 10¹⁷ Atomen pro cm³ aufweist, und eine Dicke von 50 µm bis 130 µm. Der Bereich 12 hat ein Verunreinigungsprofil, das eine gleichmäßige Verunreinigungskonzentration von 10¹³ bis 10¹⁴ Atomen pro cm³ aufweist, und eine Dicke von 500 µm bis 1200 µm. Der Bereich 400 als erstes Teil hat ein Verunreinigungsprofil, das eine gleichmäßige Verunreinigungskonzentration von 10¹³ Atomen pro cm³ aufweist, und eine Dicke von 10 µm bis 30 µm. Der Bereich 40 als zweites Teil hat ein Verunreinigungsprofil, das eine zunehmende Verunreinigungskonzentration von 10¹³ bis 10²¹ Atomen pro cm³ aufweist, und eine Dicke von 5 µm bis 12 µm.
Der Bereich 13 mit seiner anfänglich zunehmenden Verunreinigungskonzentration verzögert 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^--leitenden zweiten Emitterschicht 400 am p-n-Übergang J 3 geringer als die der p-leitenden zweiten Basisschicht 13. Hinsichtlich des durch den p-n-Übergang J 3 hindurchfließenden Stromes herrscht somit ein Löcherstrom vor, während der Stromwert klein ist, so daß die Menge an Elektronen, die von den n-leitenden zweiten Emitterschichten 400 und 40 durch den p-n-Übergang J 3 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 16 angelegt wird, wird aus diesem Grunde eine kleine Menge an Elektronen aus den n-leitenden zweiten Emitterschichten 400 und 40 in die p-leitende zweite Basisschicht 13 injiziert. Dementsprechend wird die Unzulänglichkeit der bekannten Anordnung gemäß der US PS 38 93 153 vermieden, wo eine fehlerhafte Zündung durch Elektronen erfolgen kann, die von der n-leitenden zweiten Emitterschicht 40 in die p-leitende zweite Basisschicht 13 injiziert werden.
Um bei der erfindungsgemäßen Anordnung den Thyristor aus seinem in Durchlaßrichtung gesperrten Zustand einzuschalten, und zwar in einem Zustand, wo eine negative Spannung gegenüber derAnodenelektrode 16 an die Kathodenelektrode 17 sowie 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 µm ausgedrückt in Wellenlängen, beispielsweise Licht 600 einer lichtemittierenden Galliumarsenid-Diode (GaAs LED) mit einer Wellenlänge von 0,9 µm durch die Öffnung 500 des Floatingkontaktes 15 eingestrahlt. Durch die Einstrahlung des Lichtes treten Elektronen-Löcher-Paare innerhalb des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 400, des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 und des n-leitenden ersten Basisbereiches 12 auf. Somit wird der n-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 40 in den n-leitenden zweiten Emitterbereich 400 injizierten Elektronen und den durch die Lichtbestrahlung innerhalb des n-leitenden Emitterbereiches 400 erzeugten Elektronen-Löcher-Paaren. Infolgedessen wird die Differenz der Trägerdichten klein zwischen der Seite des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 400 und der Seite des p-leitenden Basisbereiches 13 des p-n-Überganges J 3, und die Potentialsperre am p-n-Übergang J 3 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 n-leitende zweite Emitterbereich 400 im wesentlichen ein kontinuierlicher Basisbereich zum p-leitenden zweiten Basisbereich 13. Zu diesem Zeitpunkt wird der wesentliche p-n-Übergang J 3 zur Grenzschicht 440 zwischen dem n-leitenden Emitterbereich 40 und dem n-leitenden Emitterbereich 400. Da die Elektronendichte des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 40 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 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 n-leitenden zweiten Emitterbereich 14 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 n-leitenden zweiten Emitterbereich 14, um den Hauptthyristor in den Einschaltzustand zu bringen.
Die Wirkung der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nachstehend näher erläutert. Unter Verwendung einer lichtemittierenden GaAs-Diode als Lichtquelle wurde ein Lichtsignal mit einer Wellenlänge von 0,9 µm an den lichtgesteuerten Thyristor gemäß Fig. 2d sowie die herkömmliche Anordnung nach der US PS 38 93 153 angelegt. Das Lichtsignal ist dabei ein Lichtstrahl mit einem Durchmesser von ungefähr 1 mm, während ein Lichtbestrahlungsteil, also die freiliegende Oberfläche des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 40, einen Durchmesser von 6 mm hat.
Im Ergebnis wird die hier beschriebene Ausführungsform gezündet, indem man einen Strom von 50 mA durch die lichtemittierende GaAs-Diode leitet, während die bekannte Anordnung gezündet wird, indem man einen Strom von 40 mA hindurchleitet. Das dV/dt Leistungsvermögen beträgt ungefähr 4000 V/s bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform, während es ungefähr 1000 V/s bei der bekannten Anordnung beträgt. Das Lichtemissions-Ausgangssignal der GaAs-Diode ist im wesentlichen proportional zur Größe des hindurchfliessenden Stromes, so daß im Vergleich zur bekannten Anordnung 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 das dV/dt Leistungsvermögen bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform erheblich gesteigert werden kann, ohne dabei die Lichtempfindlichkeit in einem Ausmaße zu verringern, das in der Praxis Probleme aufwirft.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung 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 wird. 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 Leistungszustand gegeben. In Fig. 3 ist die Trägerdichte im Leistungszustand angegeben. In Fig. 3 bezeichnen die ausgezogene Linie 600 a, die strichlinierte Linie 700 und die strichpunktierte Linie 800 die Verunreinigungsdichte, die Elektronendichte bzw. die Löcherdichte der jeweiligen leitenden Schichten oder Bereiche 11, 12, 13, 400 bzw. 40. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird der n^--leitende zweite Emitterbereich 400 mit Trägern auf einen Wert aufgefüllt, der ungefähr gleich dem Maximalwert der Verunreinigungsdichte des p-leitenden zweiten Basisbereichs 13 ist. Wie bereits erwähnt, wird somit dieDifferenz der Trägerdichten klein zwischen der Seite des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 400 und der Seite des p-leitenden Basisbereiches 13 des p-n-Überganges J 3, 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 N 1 des n^--leitenden Bereiches 400 und der maximalen Verunreinigungsdichte N 2 des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 gegeben. Wenn sich der Wert N 2/N 1 oder das Verhältnis des Maximalwertes N 2 zum Wert N 1 im Bereich von 1 bis 10³ ändert, so ergibt sich die mit 900 in Fig. 4 bezeichnete Kurve für das dV/dt Leistungsvermögen, gemessen in V/µs. Aus Fig. 4 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 im Bereich zwischen 10 und 10³ erheblich verbessert.
Wenn man das Verhältnis N 2/N 1 größer als 10 macht, wird das dV/dt Leistungsvermögen erheblich verbessert. Die obere Grenze für den Wert N 2/N 1 ist auf ungefähr 10⁴ begrenzt, da die Differenz der Verunreinigungsdichte zwischen den beiden Schichten, die aus einer p-leitenden Schicht und einer n- leitenden Schicht bestehen, aus Gründen der Herstellungstechnik für Thyristoren nicht so groß gemacht werden kann.
Nachstehend soll eine weitere Ausführungsform näher erläutert 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 n-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 Weise erhalten, indem man einen n-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 n-leitende zweite Emitterschicht 40 auf den freiliegenden Hauptflächen des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 400 und des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 durch Diffussionsverfahren 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 J 2 und der Grenzschicht J 3 des ersten Bereiches 400 dünn wird, und das Photoätzen zur Herstellung der ringförmigen Nut 402 und der Nebenschlüsse 401 kann mit hoher Präzision durchgeführt werden, da die freiliegenden Hauptflächen 102 des n&spplus; -leitenden zweiten Emitterbereiches 14 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 Anordnung wird in der Weise erhalten, daß der n^--leitende zweite Emitterbereich 400 auf dem gesamten Bereich der freiliegenden Hauptfläche des p-leitenden zweiten Basisbereichs 13 durch ein Epitaxie-Verfahren hergestellt und der n^--leitende zweite Emitterbereich 40 in der freiliegenden Hauptfläche des n^--leitenden zweiten Emitterbereiches 400 durch ein Diffusionsverfahren oder auf dem n^--leitenden zweiten Emitterbereich 400 durch ein Epitaxie-Verfahren 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. 5 sind der n-leitende zweite Emitterbereich 40 und der p-leitende zweite Basisbereich 13 kurzgeschlossen, während bei der Ausführungsform nach Fig. 17 der n^--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. 5 kann das Kurzschließen des n-leitenden zweiten Emitterbereiches 40 und des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 ohne weiteres so sein, daß ohne die Anbringung von Kurzschlußöffnungen 401 der n-leitende zweite Emitterbereich 40 in ausgewählten Bereichen der Oberfläche des p-leitenden zweiten Basisbereiches 13 durch Diffusionsverfahren ausgebildet wird, wobei das Kurzschließen der Bereiche 40 und 14 durch eine flache Kathodenelektrode 17 erfolgt.
Fig. 8a und 8b zeigen die obengenannte Ausführungsform. Gemäß Fig. 8a wird der n^--leitende zweite Emitterbereich 400 in gleicher Weise wie bei Fig. 2b hergestellt. Nach der Herstellung einer SiO₂-Schicht auf der freiliegenden Oberfläche 103 des zweiten Basisbereiches 13 durch ein thermisches Oxydationsverfahren oder ein chemisches Verdampfungsverfahren wird die an der Stelle angebrachte SiO₂-Schicht, wie die n&spplus;-leitenden zweiten Emitterbereiche 14 und 40 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 SiO₂-Schicht 50 auf der Oberfläche 102 eine Anodenelektrode 16, eine Kathodenelektrode 17 und ein Floatingkontakt 15 unter Verwendung von Aluminium oder dergl. hergestellt.

Claims

1. Lichtgesteuerter Halbleitergleichrichter

- mit ersten und zweiten Halbleiteranordnungen, von denen die erste einen Lastthyristor und die zweite einen diesen steuernden, optisch gezündeten Hilfsthyristor darstellt und die in einem Halbleiterkörper mit ersten und zweiten Hauptflächen gebildet sind, wobei jede Anordnung vier Verunreinigungsbereiche aufweist, die sich zwischen den Hauptflächen durch den Halbleiterkörper erstrecken und die 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,

- mit gemeinsamen ersten Emitter-, ersten Basis- und zweiten Basisbereichen für die erste und die zweite Halbleiteranordnung, wobei der erste Basisbereich eine geringere Verunreinigungsdichte als der erste Emitterbereich und als der zweite Basisbereich aufweist,

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

- mit auf den ersten und zweiten Hauptflächen angeordneten Anoden- bzw. Kathodenelektroden für den Halbleiterkörper, die einen ohmschen 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 ohmschen 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 dem zweiten Emitterbereich der zweiten Halbleiteranordnung angrenzt, für die Aktivierung durch eintretendes Licht frei bleibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der zweite Emitterbereich der zweiten Halbleiteranordnung (2) einen ersten Teil (400) und einen zweiten Teil (40) aufweist, von denen der erste Teil (400) an den zweiten Basisbereich (13) angrenzt, so daß ein p-n-Übergang zwischen ihnen gebildet ist,

- der Maximalwert der Verunreinigungsdichte des zweiten Basisbereiches (13) um einen Faktor 10 bis 1000 höher ist als der des ersten Teils (400) und

- der zweite Teil (40) eine höhere Verunreinigungsdichte als der erste Teil (400) aufweist.

2. Lichtgesteuerter Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der erste Emitterbereich (11) eine Verunreinigungskonzentration von 10¹⁴ bis 10²⁰ Atomen pro cm³ und eine Dicke von 50 bis 200 µm aufweist,

- der erste Basisbereich (12) eine Verunreinigungskonzentration von 10¹³ bis 10¹⁴ Atomen pro cm³ und eine Dicke von 500 bis 1200 µm aufweist,

- der zweite Basisbereich (13) eine Verunreinigungskonzentration von 10¹³ bis 10¹⁷ Atomen pro cm³ und eine Dicke von 50 bis 130 µm aufweist,

- der erste Teil (400) eine Verunreinigungskonzentration von 10¹³ Atomen pro cm³ und eine Dicke von 10 bis 30 µm aufweist und

- der zweite Teil (40) eine Verunreinigungskonzentration von 10¹³bis 10²¹ Atomen pro cm³ und eine Dicke von 5 bis 15 µm aufweist.

3. Lichtgesteuerter Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Emitterbereich (14) der ersten Halbleiteranordnung (1) durch Nebenschlußwiderstände (401) unterbrochen ist, und die Kathodenelektrode (17) über die Nebenschlußwiderstände (401) einen ohmschen Kontakt mit dem zweiten Basisbereich (13) der ersten Halbleiteranordnung (1) hat.

4. Lichtgesteuerter Halbleitergleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hauptflächen (102) der zweiten Emitterbereiche (14) der ersten und zweiten Halbleiteranordnung (1, 2) in derselben Ebene liegen.

5. Verfahren zur Herstellung eines lichtgesteuerten Halbleitergleichrichters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

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

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

c) Eindiffundieren eines n-leitenden Dotierungsmaterials in die gesamten Bereiche der freiliegenden Hauptfläche der zweiten Basisschicht und der freiliegenden Oberfläche des ersten Teils 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 Fläche, der zweiten Fläche der ersten Halbleiteranordnung und der zweiten Fläche der zweiten Halbleiteranordnung.

6. Verfahren zur Herstellung eines lichtgesteuerten Halbleitergleichrichters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Eindiffundieren eines p-leitenden Dotierungsmaterials in beide Hauptflächen eines n-leitenden Siliciumsubstrats zur Herstellung der ersten Emitterschicht und der zweiten Basisschicht, während der übrige Teil des Siliciumsubstrats zur ersten Basisschicht wird,

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

c) Herstellen einer n-leitenden Schicht innerhalb der Aussparung zur Ausbildung des ersten Teiles unter Verwendung eines Epitaxie-Verfahrens,

d) Eindiffundieren eines n-leitenden Dotierungsmaterials in die gesamten Bereiche der freiliegenden Hauptfläche der zweiten Basisschicht und der freiliegenden Oberfläche des ersten Teiles zur Herstellung des zweitenEmitterbereiches 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.