DE3029836A1 - Thyristor - Google Patents

Thyristor

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DE3029836A1 DE19803029836 DE3029836A DE3029836A1 DE 3029836 A1 DE3029836 A1 DE 3029836A1 DE 19803029836 DE19803029836 DE 19803029836 DE 3029836 A DE3029836 A DE 3029836A DE 3029836 A1 DE3029836 A1 DE 3029836A1
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Description

1A-3321
ME-5O3(F-1932)
MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA, Tokyo, Japan
Thyristor
Die Erfindung betrifft einen Thyristor und insbesondere die Verteilung der Dichte eindiffundierter Fremdatome in einem Thyristor.
Bei der Herstellung von Leistungshalbleitervorrichtungen mit pn-übergängen, z.B. von Leistungsthyristoren, bildet man zur Erhöhung der Oberfläche im peripheren Bereich des Halbleitersubstrats bei der Bearbeitung des Halbleitersubstrats eine Rampenkonfiguration aus. Sodann wird eine durch diese Bearbeitung gebildete, gebrochene Schicht chemisch geätzt. Dies geschieht zum Schutz des pn-Übergangs, welcher im peripheren Bereich des Halbleitersubstrats freiliegt, 2ur Erzielung einer gewünschten Durchbruchspannung. Die Rampenkonfiguration wird ausgebildet zum Zwecke
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der Senkung des Feldes an der Oberfläche im Vergleich zum Feld im inneren Bereich des Halbleitersubstrats, und zwar durch Steigerung eines Kriechabstandes der Isolierung in der Nähe des an der Oberfläche freiliegenden pn-Übergangs. Hierdurch wird eine Verringerung der Spannungsfestigkeit oder Durchbruchspannung verhindert. Bei der Rampenbildung unterscheidet man zwei Arten, nämlich eine negative Schrägfläche oder Kegelfläche zur Herbeiführung eines Winkels θ von mehr als 90° zwischen dem pn-übergang und der Rampenfläche oder eine positive Schrägfläche oder Kegelfläche zur Herbeiführung eines Winkels θ von weniger als 90°.
Fig. 1 zeigt die Relation zwischen dem Winkel θ und der Spannungsfestigkeit oder Durchbruchspannung. Gemäß Fig. 1 beträgt der Winkel θ bei positiver Schrägfläche oder Kegelfläche 45 bis 60° und bei negativer Schrägfläche oder Kegelfläche etwa 2 bis 3°. Hierdurch wird die effektive Fläche des Halbleitersubstrats aufrechterhalten und die Senkung der Durchbruchspannung ( Durchschlag; punch-through)
wird verhindert und die gewünschte dv/dt-Charakteristik wird aufrechterhalten, so daß eine hohe Spannungsfestigkeit oder Durchbruchspannung erhalten wird.
Bei einem Thyristor mit einer Verteilung der Konzentration der eindiffundierten Fremdatome gemäß Fig. 2 ist die Durchbruchspannung der negativen Kegelfläche gewöhnlich niedriger als die Durchbruchspannung der positiven Kegelfläche, und zwar um etwa 20 bis
In der graphischen Darstellung gemäß Fig. 2 ist die erste Emitterschicht vom η-Typ E1 eingetragen, sowie die erste Basisschicht vom p-Typ B1, die zweite Basisschicht vom n-Typ B2 und die zweite Emitterschicht vom p-Typ E2. Zwischen der zweiten Emitterschicht E2 und der zweiten Basis-
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schicht B2 liegt der pn-übergang J1. Zwischen der zweiten Basisschicht B2 und der ersten Basisschicht b1 liegt der pn-übergang J2. Zwischen der ersten Basisschicht B1 und der ersten Emitterschicht E1 liegt der pn-übergang J3. Die Dicke W2 der zweiten Emitterschicht E2 (des Bereichs derselben) , welche eine Fremdatom-Konzentrationsverteilung unterhalb der Fremdatom-Konzentration der ersten Basisschicht B1 in der Nähe des pn-übergangs J3 aufweist, ist größer als die Dicke W1 der ersten Basisschicht B1. Wenn z.B. der übergang J2 in der negativen Kegelfläche von 2,5° liegt und wenn der übergang J1 in der positiven Kegelfläche oder Schrägfläche von 60° liegt und wenn das Halbleitersubstrat des Thyristors einen spezifischen Widerstand von 35 -Λ -cm aufweist, so beträgt die Durchbruchspannung des Übergangs J2 1000 V, während die Durchbruchspannung des Übergangs J1 1600 V beträgt. Die Durchbruchspannung des Übergangs J2 ist daher wesentlich niedriger als die Durchbruchspannung J1. Somit beträgt die Durchbruchspannung oder Spannungsfestigkeit des Thyristors insgesamt 1000 V.
Zur Überwindung dieser Nachteile hat man daher eine Struktur mit der Verteilung der Konzentration der eindiffundierten Fremdatome gemäß Fig. 3 für einen Leistungsthyristor vorgeschlagen. Die erste Basisschicht B1 und die zweite Emitterschicht E2 haben daher einen besonderen Aufbau. Sie bestehen jeweils aus einer Region A mit einer kleinen Rampe der Fremdatom-Konzentration und einer Region B mit einer großen Rampe der Fremdatom-Konzentration. Dies wird erreicht durch eine doppelte Diffusionsmethode. Wenn der übergang J2 in Sperrichtung vorgespannt wird, so wird eine Verarmungsschicht oder Raumladungszone in die erste Basisschicht B1 expandiert und die Feldintensität wird geschwächt und die Durchbruchspannung wird erhöht. Hierdurch wird ein Spannungsdurchbruch in der ersten Basis-
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-s-
Schicht B1 verhindert, und man erhält die gewünschte dv/ dt-Charakteristik. Dieser Aufbau wird weithin verwendet.
Wenn ein Halbleitersubstrat mit einem spezifischen Widerstand von 35 -Ω. -cm verwendet wird und der Übergang J2 in der negativen Schrägfläche oder Kegelfläche liegt, während der Übergang J1 in der positiven Schrägfläche oder Kegelfläche liegt, so beträgt bei diesem Aufbau die Durchbruchspannung am Übergang J2 135OV, während die Durchbruchspannung am Übergang J1 1600 V beträgt. Die Durchbruchspannung des Übergangs J1 wird somit nicht erhöht. Andererseits wird jedoch die Durchbruchspannung des Gesamtthyristors auf 1350 V erhöht. Diese erhöhte Durchbruchspannung ist äußerst hoch im Vergleich zu einem Thyristor mit der Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome gemäß Fig. 2.
Andererseits ist es bekannt, daß der Spannungsabfall des Thyristors in Durchlaßrichtung erhöht wird mit Erhöhung der Dicke der zweiten Basisschicht B2. Bei einer pnpn-Struktur werden die Dicke und der spezifische Widerstand der zweiten Basisschicht B2 je nach der Durchbruchspannung des Thyristors festgelegt. Wenn die Durchbruchspannung des Thyristors erhöht werden soll, so muß die Dicke der zweiten Basisschicht B2 erhöht werden und der spezifische Widerstand muß ebenfalls erhöht werden. Somit wird mit einer Erhöhung der Durchbruchspannung auch der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung erhöht.
Der Leistungsverbrauch der Halbleitervorrichtung pro Fläche ist je nach der Wärmefestigkeit des HalbleiterSubstrats begrenzt. Somit führt die Erhöhung des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung zu einer Begrenzung der zulässigen Stromstärke. Wenn man die zulässige Stromstärke erhöhen will, so muß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung gesenkt werden.
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-b-
Die Zündstromdichte, welche die zulässige Stromstärke des Thyristors bestimmt, liegt im Bereich von etwa 100 bis 300 A/cm . Wenn ein Thyristor mit einer pnpn-Struktur und einer ersten Emitterschicht E1 von η-Typ mit einem Strom beaufschlagt wird, welcher zu einer Einschaltstromdichte oder Zündstromdichte von etwa 100 bis 300 A/cm führt, so liegt die Elektronendichte, welche von der ersten Emitterschicht E1 in die erste Basisschicht B1 gelangen, im Bereich von 1017 bis 1018/cm3. Somit verhält sich der pnpn-Thyristor im wesentlichen wie eine pin-Struktur, falls die Stromdichte über 100 A/cm liegt. Dieselben Verhältnisse liegen bei der zweiten Emitterschicht E2 am Übergang J1 vor. Wenn die Stromdichte über 100 A/cm2 liegt, so haben die erste Basisschicht B1 und die zweite Emitter-
17 schicht E2, welche die Fremdatom-Konzentration von 10 ' bis
18 ^
10 /cnr aufweisen, die gleiche Struktur wie die zweite Basisschicht B2. Wenn der Übergang J2 in der negativen Schrägfläche liegt und wenn der Übergang J1 in der positiven Schrägfläche oder Kegelfläche des Thyristors liegt und wenn die in Fig. 3 gezeigte Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome vorliegt, so kommt es zu einer Erhöhung der Spannungsfestigkeit, während andererseits der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung nachteiligerweise ebenfalls erhöht wird.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu überwinden und einen Thyristor zu schaffen, dessen Übergang J2 in der negativen Schrägfläche oder Kegelfläche liegt und dessen Übergang J1 in der positiven Schrägfläche oder Kegelfläche liegt und welcher eine hohe Spannungsfestigkeit am Übergang J2 aufweist, während gleichzeitig der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung gesenkt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Thyristor gelöst, der eine erste Emitterschicht eines ersten Leitungstyps aufweist sowie eine erste Baslsschicht eines zweiten Leitungstyps, eine zweite Basisschicht des ersten Leitungstyps und eine zweite Emitterschicht des zweiten Leitungstyps. Diese Schichten liegen nebeneinander zwischen zwei Hauptflächen eines Halbleitersubstrats, wobei der erste übergang zwischen der ersten Basisschicht und der zweiten Basisschicht an einer Seitenfläche des Halbleitersubstrats mit negativer Abschrägung freiliegt und wobei der zweite übergang zwischen der zweiten Basisschicht und der zweiten Emitterschicht an einer Seitenfläche des Halbleitersubstrats mit positiver Abschrägung freiliegt. Erfindungsgemäß ist die Dicke der zweiten Emitterschicht, soweit sie eine Fremdatom-Konzentrationsverteilung unterhalb der Fremdatom-Konzentration der ersten Basisschicht in der Nähe des dritten Übergangs zwischen der ersten Emitterschicht und der ersten Basisschicht aufweist, geringer als die Dicke der ersten Basisschicht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Relation zwischen dem Rampenwinkel an der freiliegenden Fläche des pn-übergangs und der Durchbruchspannung;
Fig. 2 und 3 Diagramme der Verteilung der Konzentrationen eindiffundierter Fremdatome bei herkömmlichen Thyristoren; und
Fig. 4 ein Diagramm der Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thyristors.
Fig. 4 zeigt die Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome bei dem Thyristor der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß wird die erste Basisschicht
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B1 aus einer Region A vom p-Typ mit hohem Widerstand sowie aus einer Region B vom p-Typ mit niedrigem Widerstand gebildet. In der Nähe des Übergangs J2 (negative Schrägung ) liegt eine kleine Rampe der Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome (der Region A). Die Region B hat eine große Rampe der Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome. Hierdurch wird ein Durchbruch verhindert im Falle der Beaufschlagung des Übergangs J2 mit einer Sperrspannung, so daß man die gewünschte dv/dt-Charakteristik erhält sowie den gewünschten I ^-Wert. Die Region A hohen Widerstands in der zweiten Emitterschicht E2 wird verkleinert durch Erhöhung der Rampe der Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome in der zweiten Emitterschicht E2, und zwar in der Nähe des Übergangs J1 (positive Steigung) . Die Dicke W2 der zweiten Emitterschicht E2 mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von weniger als 1O17 bis 1018/cm5 ist kleiner als die Dicke W1 der ersten Basisschicht B1 mit einer Konzentration der
17 eindiffundierten Fremdatome von weniger als 10 ' bis 10 /cnr. Bei einem Thyristor mit einem solchen Aufbau ist die Dicke W2 der Region mit einer Konzentration der
17 eindiffundierten Fremdatome von weniger als 10 ' bis 1018/cm^ in der zweiten Emitterschicht in der Nähe des Übergangs J1 kleiner, sofern die Stromdichte über 100 A/ cm2 liegt. Die Erhöhung der Dicke der Basisschicht in der zweiten Emitterschicht E2 ist gering. Die effektive Dicke der Basisschicht ist verringert und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung ist geringer als bei einem herkömmlichen Thyristor.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert. Es wird eine Siliciumscheibe mit einem Durchmesser von 40 0 und mit einem spezifischen Widerstand von 35 Λ-cm verwendet. Hieraus wird ein Thyristor mit ei-
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ner Löschzeit von 20/usec und mit einem Aufbau gemäß Fig.3 hergestellt. Die Dicke der ersten Emitterschiqht E1 beträgt 20/um. Die Dicke der Region mit niedrigem Widerstand und mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremd-
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atome von weniger als 10 ' bis 10 /cnr in der ersten Basisschicht B1 beträgt 40/um und die Dicke der Region mit hohem Widerstand beträgt 30/um (außerhalb der Region mit niedrigem Widerstand). Die Dicke der zweiten Basisschicht B2 beträgt 170 /um. Die Dicke der Region mit hohem Widerstand in der zweiten Emitterschicht E2 beträgt 30/um. Die Dicke der Region mit niedrigem Widerstand und mit einer
weniger alsj7 Konzentration der eindiffundierten Fremdatome vonA10 ' bis
18 ^5
10 /cm-3 beträgt 60/um (außerhalb der Region mit hohem Widerstand). Bei einer Stromstärke von 1200 A beträgt der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung 2,2 V. Der Übergang J2 hat eine Durchbruchspannung von 1350 V und der Übergang J1 hat eine Durchbruchspannung von 1600 V.
Andererseits wird eine Siliciumscheibe mit einem Durchmesser von 40 0 und mit einem spezifischen Widerstand von 35 Jl-cm zur Herstellung eines Thyristors gemäß Fig. 4 verwendet. Die Löschzeit beträgt 20/usec. Die Dicke der ersten Emitterschicht E1 beträgt 20/um. Die Dicke der Region mit niedrigem Widerstand und mit einer Konzentra-
tion der eindiffundierten Fremdatome von weniger als 10 ' bis 10 /cm in der ersten Basisschicht B1 beträgt 40/um. Die Dicke der Region mit hohem Widerstand beträgt 30 /um (außerhalb der Region mit niedrigem Widerstand). Die Dicke der zweiten Basisschicht B2 beträgt 170/um. Die Dicke der Region mit hohem Widerstand und mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome mit weniger als 10 /cnr innerhalb der zweiten Emitterschicht E2 beträgt 30 /um. Die Dicke der Region mit niedrigem Widerstand und mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von mehr als 10 /cm-7 beträgt 20/um. Die Vorrichtung
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hat eine Durchbruchspannung von 1350 V am Übergang J2 sowie eine Durchbruchspannung von 1600 V am Übergang J2. Bei einer Stromstärke von 1200 A beträgt der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung 1,6 V. Die vorliegende Erfindung eignet sich somit hervorragend zur Senkung des Spannungs abfalls in Durchlaßrichtung, ohne daß gleichzeitig die anderen Charakteristika, insbesondere die Durchbruchspannung, nachteilig beeinflußt werden.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Thyristorstruktur derart zu gestalten, daß die Dicke der Basisschicht verringert ist, während es bei Durchfluß eines Stroms mit einer hohen Stromstärke zu einer Erhöhung der effektiven Dicke der Basisschicht kommt, ohne daß hierdurch die Durchbruchspannung verringert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Thyristor mit einer speziellen Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome gelöst. Dabei ist die Dicke der zweiten Emitterschicht vom Übergang J1 zur Basisschicht bis zur Region mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von 10 ' bis 10 /cm kleiner als die Dicke der ersten Basisschicht vom Übergang J2 bis zur Region mit einer Konzentration der eindiffundier-
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ten Fremdatome von 10 ' bis 10 /cm . Diese Struktur ist vorgesehen bei einem Thyristor, bei dem der Übergang J2 in der negativen Schrägfläche liegt, während der Übergang J1 in der positiven Schrägfläche liegt.
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    ΊJ Thyristor mit einer ersten Emitterschicht eines ersten Leitungstyps, einer ersten Basisschicht eines zweiten Leitungstyps, einer zweiten Basisschicht des ersten Leitungstyps und einer zweiten Emitterschicht des zweiten Leitungstyps in Nachbarschaft zueinander zwischen zwei Hauptflächen eines Halbleitersubstrats, wobei eine freiliegende Fläche des ersten Übergangs zwischen der ersten Basisschicht und der zweiten Basisschicht auf der Seitenfläche des Halbleitersubstrats mit negativer Steigung liegt und wobei eine freiliegende Fläche des zweiten Übergangs der zweiten Basisschicht und der zweiten Emitterschicht in einer positiven Schrägung liegt,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Emitterschicht, deren Verteilung der Fremdatomdichte geringer ist als die Fremdatomdichte der ersten Basisschicht in der Nähe des dritten Übergangs, welcher durch die erste Emitterschicht und die erste Basisschicht gebildet ist, geringer ist als die Dicke der ersten Basisschicht.
  2. 2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rampe der Verteilung der Konzentration der Fremdatome der ersten Basisschicht in der" Nähe des ersten Übergangs geringer ist als eine Rampe der Verteilung der Konzentration der Fremdatome in der zweiten Emitterschicht in der Nähe des zweiten Übergangs.
  3. 3. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Basisschicht durch mindestens zwei Arten von eindiffundierten Fremdatomen gebildet ist und daß die erste Emitterschicht durch eine Art von eindiffundierten Fremdatomen gebildet ist.
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DE3029836A 1979-08-07 1980-08-06 Thyristor Expired DE3029836C2 (de)

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