DE3131608A1

DE3131608A1 - Steuerbares halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE3131608A1
Application number: DE3131608A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Prof. Dr.sc.techn. DDR 9063 Karl-Marx-Stadt Wagner
Original assignee: Zentrum Mikroelektronik Dresden GmbH
Current assignee: IDT Europe GmbH
Priority date: 1980-10-30
Filing date: 1981-08-10
Publication date: 1982-06-24
Also published as: CS237971B1; US4550332A; CS626381A1; DD154049A1; JPS57103353A

Description

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Steuerbares Halbleiterbauelement
Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Leistungßsteuerungen, bei denen es darauf ankommt, mit sehr geringer SteuerIeistung große Leistungen zu steuern oder zu schalten, wie beispielsweise bei Bindegliedern (interface) zwischen datenverarbeitender Mikroelektronik und gesteuerten leistungsstarken Stromkreisen oder bei Verbindungsstellen verschiedener Stromkreise, vorzugsweise in der Fernsprechtechnik, bei gesteuerten Antrieben mit Elektromotoren oder bei Stromversorgungsgeräten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannte Lösungen steuerbarer Halbleiterbauelemente sind in Thyristoren zu sehen. Thyristoren der bekannten Art sind Bipolarbauelemente mit einer Schichtfolge η ρ np , die mit äußeren Eontakten an der n⁺-Schicht (Katode), der p⁺-Schicht (Anode) und an der inneren ρ-Scnicht (Steuerelektrode), seltener an der inneren n-Schicht (Steuerelektrode) versehen sind. Sie haben bezüglich der Polung der Anoden-Katodenspannung und der Steuerspannung unsymmetrische Kennlinien, können jedoch auch in Antiparallelschaltung, innerhalb eines Halbleiterplättchens zu symmetrisch wirkenden Bauelementen (oft als Triacs bezeichnet) zusammengeschaltet werden. Thyristoren sind bei Polung in Rückwärtsrichtung (bei negativer

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Anodenspannung) bis zur Durohbruoηspannung gesperrt« In umgekehrter Po lung springen sie oberhalb einer, von der Steuerspannung anhängigen, Kippspannung zwischen Anode und Katode vom Sperrzustand in einen hochleitfähigen Zustand (Zünden).

Nachteilig ist dabei, daß an der Steuerelektrode verhältnismäßig große Ströme und Leistungen benötigt werden, Jedoch nach der Zündung die Steuerelektrode fast unwirksam ist und diese Thyristoren von der Steuerelektrode aus nur schwer bzw, nicht zu löschen sind und insbesondere bei Hochleistungsthyristoren mit erheblichen Nachteilen belastete Unterbrechungen der Hauptstromkreipe nötig sind.

Weiterhin ist ein Thyristor bekannt, der eine isolierte Steuerelektrode verwendet und auf dem bekannten Wirkprinzip des Doppel-Diffusions-MIS-Feldeffekttransistors (DNOS-Transistor) basiert, welcher durch ein oder zwei zusätzliche Diffusionsgebiete zum unsymmetrischen Thyristor bzw. Zweirichtungs-Thyristor erweitert wird.

Dabei bietet sich zwar die Möglichkeit eines praktisch leistungslosen Einschaltens des Thyristors, jedoch ist dieser von der Steuerelektrode aus nicht vollständig steuerbar, so daß dieser Thyristor eine besondere Löschschaltung benötigt, wodurch die beschriebenen Nachteile zum Tragen kommen.

Die Löschschaltung, die im wesentlichen aus MIS- und Bipolartransistoren bestehen würde, könnte mit integriert werden, was sich jedoch wiederum bei der Anwendung als Leistungselement nachteilig auswirken würde.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, mit einem steuerbaren Halbleiterbauelement, welches mit bekannten Technologien der Mikroelektronik herstellbar ist, und neue Eigenschaften aufweist, Leistungssteuerungen im Vergleich zu herkömmlichen Thyristorleistungssteuerungen

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im Aufbau zu vereinfachen und somit den Einsatz von I>eistungselektronik ökonomisch günstiger zu gestalten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein steuerbares Halbleiterbauelement mit Eigenschaften ähnlich bekannten Thyristoren zu schaffen, welches mittels einer Steuerelektrode leistungslos gesteuert werden kann.

Zur lösung der Aufgabe wird davon ausgegangen, daß nach bekannter Art und Weise in einer Halbleiterschicht, die an der Unterseite durch eine Trägerschiebt begrenzt ist, welche aus Isolationsmaterial oder Halbleitermaterial bestehen kann, eine V- oder U-förmige Vertiefung eingebracht ist und diese Vertiefung mit einer Isolierschicht versehen ist. Auf der Isolierschicht ist eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die vorzugsweise aus Metall oder Polysilizium besteht und die mit einem Anschluß versehen ist, der die Steuerelektrode des Halbleiterbauelementes darstellt.

Gemäß der Erfindung ist neben der Vertiefung die Isolierschicht des Halbleitermaterials mit einem Fenster versehen, in dem sich eine weitere elektrisch leitende Schicht befindet, welche mit einer ersten Elektrode versehen ist. Darunter ist im Halbleitermaterial ein erstes Blektrodengebiet eingebracht. Dieses Gebiet ist vorzugsweise n⁺-dotiert und erstreckt sich bis zu der diesem Gebiet zugewandten Seite der V- oder U-förmigen Vertiefung.

In einem seitlichen Abstand zu einer anderen, vorzugsweise der gegenüberliegenden Seite der Vertiefung ist in die Isolierschicht des Halbleitermaterials ein zweites fenster eingebracht, in dem sich eine weitere elektrisch leitende Schicht befindet, welche mit einer zweiten Elektrode versehen ist. Darunter ist im Halbleitermaterial ein zweites Elektrodengebiet eingebracht. Dieses Gebiet ist vorzugsweise p⁺-dotiert. An dieses Gebiet schließt

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sich in Richtung zur Vertiefung ein Substratgebiet an, welches vorzugsweise η-dotiert ist, und erstreckt sich bis zu einer diesem Gebiet zugewandten Seite der Vertiefung. Unter dieser Vertiefung befindet sich ein vorzugsweise p-dotiertes Kanalgebiet, welches an das erste Elektrodengebiet, an das Substratgebiet und an die Vertiefung angrenzt.

DiA Wirkungsweise des erfindungegetnößen steuerbaren lialbleiterbauelementes ist darin zu sehen, daß die erste Elektrode bei n⁺-Dotierung des ersten Elektrodengebietes eine Katode und die zweite Elektrode bei p⁺-Dotierung des zweiten Blektrodengebietes eine Anode, vergleichbar mit bekannten Thyristoren, darstellt und der StromfluS zwischen diesen beiden Elektroden über eine Steuerelektrode steuerbar ist. Bei Anlegen einer Gleichspannung zwischen erster und zweiter Elektrode, wobei die zweite Elektrode mit positivem Potential beaufschlagt wird (Vorwärtsrichtung) und Anlegen einer geeigneten Spannang an die Steuerelektrode wird an der Randfläche der Isolierschicht der Vertiefung zum anstehenden Halbleitermaterial ein Inversionskanal ausgebildet. In diesem Inversionskanal fließt ein durch die Steuerspannung festgelegter Strom zwischen dem ersten Elektrodengebiet und dem Substratgebiet. Durch den Kanalstrom erfolgt eine Potentialverschiebung des Substratgebietes in einen negativeren Bereich. Damit wird die Sperrspannung über dem pn-übergang zwischen Kanal- und Substrstgebiet etwas verringert, wodurch auf die in Flußrichtung gepolten pn-Übergänge zwischen erstem Elektrodengebiet und Kanalgebiet sowie zwischen Substratgebiet und zweitem Elektrodengebiet ein höherer Anteil der Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode entfällt. Damit " emittieren diese pn-Übergänge über den gesamten Querschnitt intensiv Ladungsträger zu dem pn-übergang zwischen Kanal- und Substratgebiet, wodurch ein Umschlag in einen niederohmigen (gezündeten) Zustand erfolgt.

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Ist die Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode in Rücicwärtsrichtung gepolt, d. h. die zweite Elektrode negativ gegen die erste Elektrode, sind die beiden voneinander unabhängigen pn-Übergänge zwischen dem ersten Elektrodengebiet und Kanalgebiet und zwischen Substratgebiet und dem zweiten Elektrodengebiet gesperrt und nehmen die gesamte Spannung zwischen erster xxnä zweiter Elektrode auf. Es fließt nur der Sperr strom, dessen J¹IuB durch die in das Kanalgebiet hineinragende Vertiefung zusätzlich erschwert wird. Ein höherer Stromfluß wird damit nur durch Überschreiten der Durchbruchspannung erreicht.

Ein Beaufschlagen der Steuerelektrode mit einer Spannung führt nicht zu einem leitfähigen Zustand des Halbleiterbauelementes in Rückwärtsrichtung.

Es besteht die Möglichkeit, das erste Elektrodengebiet und das Kanalgebiet und die erste Elektrode untereinander elektrisch leitend zu verbinden. Mit einer derartigen Verbindung wird erreicht, daß die oteuerbarkeit des Halbleiterbauelementes voll erhalten bleibt, d. h. daß nach dem Zünden der Sperrzustand des Halbleiterbauelementes von der Steuerelektrode aus wieder herbeigeführt werden kann, da der pn-übergang zwischen dem ersten Elektrodengebiet und dem Kanalgebiet nicht, wie für den ^a11 fehlender elektrisch leitender Verbindung, voll geöffnet ist, da das erste Elektrodengebiet und das Kanalgebiet gleiches Potential aufweisen. Somit emittiert dieser pn-übergang vorrangig nur ladungsträger über den Inversionskanal und nicht mehr über den gesamten Querschnitt in das Substratgebiet. Wird der Inversionskanal durch Wegnahme der Steuerspannung an der Steuerelektrode unterbrochen, unterbleibt die Potentialverschiebung des Substratgebietes und das steuerbare Halbleiterbauelement verlöscht. Die gleiche Wirkungsweise weist ein Halbleiterbauelement auf, welches zusätzlich oder alternativ im Querschnitt vorzugsweise durch Verwendung einer dünnen

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Halbleiterschicht in der Größenordnung von 0,5 bis 5 /um auf einer Trägerschicht verringert ist. Damit wird der Querschnitt des Kanalgebietes unter der Vertiefung verringert, so daß die Emission von ladungsträgern des pn-Überganges über den gesamten Querschnitt so reduziert wird, daß der Hauptanteil des ladungsträgerflusseE über den Inversionskanal erfolgt und damit die Steuerbarkeit des Halbleiterbauelementes erhalten bleibt bzw. unterstützt wird.

Das Substratgebiet kann einen Bereich höherer Dotandenkonzentration als das Substratgebiet an sich aufweisen, welches sich von der Seite der Vertiefung, an die das Substratgebiet anstößt, unter der Oberfläche des Halbleitermaterials zu dem zweiten Elektrodengebiet hin erstreckt. Dabei berührt dieses Gebiet höherer Dotandenkonzentration nicht das zweite Elektrodengebiet. Mit dieser Anordnung wird eine Verbesserung der Steuerbarkeit und der Spannungsfestigkeit durch eine günstigere Form der Saumladungsverteilung und des elektrischen Feldes erreicht,

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente s weist unter der zweiten Elektrode einen Schichtaufbau auf, der mit dem Schichtaufbau unter der ersten Elektrode spiegelbildlich identisch ist. Dabei ist zwischen der Vertiefung und der zweiten Elektrode eine zusätzliche V- oder U-förmige Vertiefung, die ebenfalls eine Isolierschicht und eine Elektrode an der Oberseite aufweist, eingebracht, wobei der Schichtaufbau unter dieser zusätzlichen Vertiefung mit dem Schichtaufbau unter der Vertiefung ebenfalls spiegelbildlich identisch ist.

Die Wirkungsweise eines derartigen Aufbaues besteht darin, daS bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode der Stromfluß durch das Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode und/oder von der zusätzlichen Steuerelektrode, die beide

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miteinander elektrisch leitend verbunden sein könne η., gesteuert werden kann. Eine Abhängigkeit von der Polarität der Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode besteht, d. h., daß bei Anlegen sowohl einer gegenüber der zweiten Elektrode positiven als auch negativen Spannung an die erste Elektrode ein Zünden des Halbleiterbauelementes in beschriebener Art und Weise erfolgen kann.

Sämtliche beschriebenen Anordnungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes können so aufgebaut sein, daß die p- und η-Dotierungen gegenüber der beschriebenen Reihenfolge vertauscht sind, wobei die Wirkungsweise erhalten bleibt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen nachstehend näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

3?ig. 1 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße steuerbare Halbleiterbauelement mit asymmetrischem Aufbau,

Flg. 2 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße steuerbare Halbleiterbauelement mit asymmetrischem Aufbau mit Querschnittsverringerung durch isolierende Trägerschicht und

Pig. 3 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße steuerbare Halbleiterbauelement mit symmetrischem Aufbau.

In den Ausführungsbeispielen wird Silizium als Halbleitermaterial zugrunde gelegt, welches derzeit als wichtigstes Material bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen Verwendung findet. Auf andere Materialien sind nachstehend beschriebene Anordnungen ebenfalls übertragbar.

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Bei dem steuerbaren Halbleiterbauelement gemäß ist auf der Oberfläche 1 des Halbleitermateriales eine mit "Fenstern ? versehene Isolierschicht 3 aufgebracht. In das Ha lh leitermaterial ist duroh selektive;? Ataen eine V-förmige Vertiefung 4 eingebracht. Auf der Oberfläche 1 im Bereich der Vertiefung 4 beträgt die Dicke der Isolierschicht 3 etwa 0,1 /um. Die Isolierschicht 3 besteht in diesem Bereich aus thermisch oxidiertem die der restlichen Oberfläche 1 aus abgeschiedenem ₂ sogenanntem Peldoxid, In den ienstern 2 der Isolierschicht 3 und auf der Isolierschicht 3 im Bereich über der V-förmigen Vertiefung 4 sind Schichten aus Metall oder polykristallinem Silizium aufgebracht, die mit Kontakten versehen sind. Das links neben der Vertiefung 4 angeordnete Fenster ? in der Isolierschicht 3 beinhaltet die als Katode wirkende elektrisch leitfähige Schicht einer ersten Elektrode 5. -Eine Steuerelektrode 6 wird durch die elektrisch leitfähige Schicht auf der Isolierschicht 3 im Bereich über der Vertiefung &■ gebildet und das rechts neben der Vertiefung 4 angeordnete fenster 2 in der Isolierschicht 3 beinhaltet die als Anode wirkende elektrisch leitfähige Schicht der zweiten Elektrode 7.

Unter der ersten Elektrode 5 befindet sich ein η -dotierten erstes Elektrodengebiet 8, welches an einem Teil der linken Seite der Vertiefung 4 anstößt. Dabei überdeckt dieses erste Elektrodengebiet 8 die erste Elektrode 5 nicht ganz, sondern läßt noch einen Bereich frei, in dem ein p-dotiertes Kanalgebiet 9 sxl die erste Elektrode 5 anstößt. Von der ersten Elektrode 5 aus verläuft das Kanalgebiet 9 wannenförmig unter dem ersten Elektrodengebiet 8, umschließt die Spitze der V-förmigen Vertiefung 4 und endet rechts der Vertiefung 4 in Höhe des ersten Elektrodengebietes 8. Unter der zweiten Elektrode 7 ist ein p⁺-dotiertes zweites Elektrodengebiet 10 wannenförmig angeordnet. Das Halbleitermaterial, in das die Cotierungsgebiete eingebracht sind, ist n-dotiert

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/ 44,

und stellt beim fertigen Halbleiterbauelement das Substrat gebiet 11 dar.

Das Substratgebiet 11 weist einen Bereich 12 höherer Dotandenkonzentration in der Größenordnung von größer als 10'9 cm auf, der anstoßend an der rechten Seite der Vertiefung 4 in Richtung zum zweiten Elektrodengebiet 10 über dem Kanalgebiet 9 verläuft. Als Trägerschicht 13 findet p-dotiertes Halbleitermaterial Verwendung.

Das Substratgebiet 11 hat eine Dotandenkonzentration

14 ^ in der Größenordnung von 10 cm*""', das Kanalgebiet 9 eine Akzeptorenkonzentration in der Größenordnung von 10 " bis 10 ' cm" , das erste Elektrodengebiet 8 eine

1 Q -Ά

Dotandenkonzentration größer als 10 ^J cm ·' und das zweite Elektrodengebiet 10 weist eine Akzeptorenkonzentration von 10¹⁷ bis 10²¹ cm"^j auf.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des in J?ig. 1 dargestellten steuerbaren Halbleiterbauelementes beschrieben.

In RUckwärtsrichtung wird an die zweite Elektrode 7 eine gegen die erste Elektrode 5 negative Spannung selegt. Die Spannung zwischen Steuerelektrode F und der zweiten Elektrode 7 sei vorerst Null bzw. kleiner als eine ochwollspannung» Damit ist der pn-übergang /,wischen dem '/,weitem l'!lc?kiroden£ebiet 10 und dom tfubßtrfi L^ohie t 11 gesperrt und die zugehörige Haumladungszone nimmt den größten Teil der angelegten Spannung zwischen erster Elektrode 5 und zweiter Elektrode 7 auf und dehnt sich entsprechend weit in das Substratgebiet 11 aus. Der pntibergang zwischen dem Substratgebiet 11 mit dem dazugehörigen Bereich höherer Dotandenkonzentration 12 und dem Kanalgebiet ist geöffnet und seine Raumladungszone schmal. Her pn-tibergang zwischen dem ersten Elektroden^ebiot 8 und dem Kanalgebiet 9 kann keine größerer] Spannungen aufnehmen, da der gemeinsame Kontakt an der ersten Elektrode 5 beide Gebiete auf annähernd gleiches Potential legt.

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Wenn die Steuerelektrode 6 negativ gegen die erste Elektrode 5 vorgespannt ist, wird das erste Blektrodengebiet 8 und der Bereich höherer Konzentration 12 des Substratgebietes 11 kaum beeinflußt und am Kanalgebiet 9 wird an der Oberfläche 1 des Halbleiters im Bereich der Vertiefung 4· im Halbleitermaterial ein Inrersionskanal ausgebildet, der das erste Elektrodengebiet 8 und den Bereich höherer Konzentration des Substratgebietes 11 verbindet. Der darin fließende Strom ist jedoch klein, da zwischen den beiden C-ebieten 8 und 12 auf Grund des geöffneten pn-Überganges zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 nur eine niedrige Spannung liegt. Die Steuerspannung an der Steuerelektrode 6 hat also in Itückwärtsrichtung keinen bedeutenden Einfluß.

In Vorwärtsrichtung liegt an der zweiten Elektrode 7 eine gegen die erste Elektrode positive Spannung. Die Steuerelektrode 6 liegt zunächst a.uf dem Potential der ersten Elektrode 5 bzw. unterhalb der Schwellspannung. Der pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 ist gesperrt und die zugehörige Raumladungszone breitet sich vor allem in die schwächer dotierten Bereiche aus. Sie wächst von der Grenze des hoch dotierten Bereiches 1? mit zunehmender Spannung nfch unten in das lianalgebiet 9» während sie sich an der Grenze zwischen dem Kanalgebiet 9 und dem schwach dotierten Substratgebiet 11 stärker in das Substratgebiet 11 erstreckt.

Die Raumladungsζonen der pn-Übergänge zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 sowie zwischen dem zweiten Elektrodengebiet 10 und Substratgebiet 11 sind rchmal, da sie in Flugrichtung gepolt sind. Die I'lußspannung über dem pn-übergang zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 ist wegen des gemeinsamen Kontaktes an der ersten Elektrode 5 sehr klein. Diese beiden in i'lußrichtung pjepolten pn-Übergänge emittieren zuiTi gesperrten pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und ßubstraLrebiet 11 hin ladungsträger. Der Hauptanteil der Spannung zwischen erster Elektrode ^r> und zweiter

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Elektrode 7 wird von diesem gesperrten pn-übergang aufgenommen.

Durch den gemeinsamen Kontakt des Kanalgebietes 9 und des ersten Elektrodengebietes 8 an der ersten Elektrode 5 und dem damit verbundenen Potentialausgleich "beider Gebiete 5 und 8, ist die Iiadungsträgeremission des pn-Uberganges zwischen den beiden Gebieten 5 und 8 schwach und außerdem behindert der verringerte Querschnitt des Halbleitermateriales unter der Vertiefung 4 den ladungsträgerfluß. Damit erfolgt noch kein Übergang in einen niederohmigen Zustand (Zünden) des Halbleiterbauelementes.

Der pn-übergang zwischen der Trägerschicht 13, die aus ρ-dotiertem Halbleitermaterial besteht, und dem Substratgebiet 11 ist sowohl für die Vor- als auch für die Rückwärtsrichtung funktionell ohne Bedeutung, da dieser in jedem Falle in Sperrichtung gepolt ist.

Wenn an der Steuerelektrode 6 eine gegen die erste Elektrode 5 positive Spannung angelegt wird, dj,e größer ist, als die Schwellspannung, so wird die Strecke entlang der Oberfläche 1 des Halbleitermateriales im Bereich der Vertiefung 4 zwischen dem ersten Elektrodengebiet 5 und' dem Bereich höherer Konzentration 12 durch den sich bildenden Inversionskanal im Halbleitermaterial überbrückt« Der Elektronenstrom im Kanal verschiebt das Potential des Substratgebietes 11 zu negativen Werten. Der pn-übergang zwischen dem zweiten Elektrodengebiet 10 und dem Substratgebiet 11 wird weiter geöffnet und emittiert einen Iiöcherstrom zum gesperrten pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11, von wo er über das Kanalgebiet 9 zur ersten Elektrode 5 gelangt. Der Inversionskanal und der Iiöcherzustrom pus dem zweiten Blektrodengebiet 10 reduzieren die über dem gesperrten pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 liegende Sperrspannung auf kleinere Werte. Die von der S teuer spönnung bewirkte Ausbildung des luvofslo^'canalen hat einen starken Stromanstieg und einen Abfall . ~

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zwischen der ersten Elektrode 5 und der zweiten Elektrode 7 liegenden Spannung zur Folge. Das Bauelement ist gezündet.

Die Spannung zwischen den beiden Elektroden 5 und 7 ist nach dem Zünden von der Steuerspannung an der Steuerelektrode G abhängig. Die Steuerspannung muß ständig anliegen bleiben, um den Zundzustand aufrecht zu erhalten.

V/enn die Γ teuer spannung auf Null gesenkt wird, bsw. unter die Cchwellspannung sinkt, loscht das Halbleiterbauelement.

Somit ist dieses Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode aus löschbar, worin ein besonderer Vorteil dieser Ausfülirungsvariante liegt.

Das ir FIf?:, 2 dargestellte Halbleiterbauelement entspricht im Aufbau fiber der Oberfläche 1 dem in I¹Ig. 1 dargestellten, wobei jedoch die Vertiefung 4 nicht V-sondern U-förmig ausgestaltet ist.

Das gesamte Halbleitermaterial ist auf der Trägerschicht 13, die aus isolierendem Material besteht, vorzugsweise Saphir, als dünne Schicht epitaktisch aufgebracht. Die Schichtdicke liegt in der Größenordnung von 0,5 bis 5 ,um.

Wie in l'ig. 2 dargestellt, ist unter der als Katode wirkenden ersten Elektrode 5 ein erstes Elektrodengebiet eingebracht, weiches die Kontaktfläche der ersten Elektrode ? an der Oberfläche 1 des Halbleiterbauelementes völlig überdeckt und rechts an die zugewandte Seite der Vertiefung 4 angrenzt. Das erste Elektrodengebiet 5 verjüngt sich nach unten und grenzt an die Trägerschicht an. Rechts neben dem ersten Elektrodengebiet 5 schließt sich ein Kanalgebiet 9 an, welches teilweise an die beiden Seiten und die Unterseite der Vertiefung 4 angrenzt. Das Kanalgebiet 9 verbreitert sich nach unten und grenzt an die Trägerschicht 13 an. Rechts an das Kanal gebiet Q schließt ein Sub ε tratgebiet 11 an. Dieser, grenzt teilweise an die nächstliegende Seite der

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Vertiefung 4, an die Oberfläche 1 des Halbleiterwafer! ale?? und unten an die Trägerschicht 13 an. Rechts neben dem Substratgebiet 11 anschließend ist ein zweites Elektrodengebiet 10 angeordnet, welches sich unter der als Anode wirkenden zweiten Elektrode 7 befindet und die gesamte Kontaktfläche der zweiten Elektrode 7 an der Halbleiteroberfläche 1 völlig überdeckt und nach unten verjüngend an die Trägerschicht 13 unten angrenzt. Nachstehend wird die funktion des in 3?ig« 2 dargestellten steuerbaren Halbleiterbauelementes näher beschrieben. In Rückwärtsrichtung ist die zweite Elektrode 7 negativ gegen die erste Elektrode 5 mit einer Spannung beaufschlagt. Die pn-Übergänge zwischen dem ersten Elektrodengebiet 8 und Kanalge.·- biet 9 sowie zwischen dem Substratgebiet 11 und dem zweiten Elektrodengebiet 10 sind gesperrt. Der pn-übergang zwischen dem Kanalgebiet 9 und dem Substratgebiet 11 ist geöffnet. Die Ausdehnung der Raumladungsschicht des pn-Uberganges zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 über die Unterseite der Vertiefung 4 hinaus in Richtung Substratgebiet 11 wird von der Vertiefung 4 behindert, so daß eine Vereinigung· der Raumladungsschichten der pn-tibergänge zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 sowie zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 bis zu hohen Spannungen, die den "punch-throught"-Durchbruch erzeugen wurden und damit außerhalb des normalen Betriebsspannungsbereiches liegen, hinausgeschoben wird. Die Breite des Substratgebietes 11 und die Dotandenkonzentration (Größenordnung 10 ^ cm" ) ist so ausgelegt, daß die für die Vereinigung der Raumladungsschicht des gesperrten pn-Überganges zwischen Substratgebiet 11 und zweitem Elektrodengebiet 10 erforderliche Spannung an diejenige angenähert wird, die für die Vereinigung der Raumladungsschichten der pn-Übergänge zwischen erstem. Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 und zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 erforderlich wäre. Zugleich wird damit der im Vergleich zum Massivhalbleiter, wie beispielsweise in I¹Ig. 1 dargestellt, geringeren Minoritätsträgerlebensdi:uer in dünnen Halbleiterschichten, wie in Eig. 2 dar,r-e -ollt,

Rechnung getragen.

In Rückwärtsrichtung fließt dementsprechend nur ein geringer Sperr strom (unterhalb der Durchbruchspannung). Der Einfluß einer anliegenden Spannung an der Steuerelelctrode ist, wie bereits bei 3?ig. 1 beschrieben, in Rückwärtsrichtung für die !Funktionsweise unbedeutend.

In Vorwärtsrichtung ist die als Anode wirkende zweite Elektrode 7 gegenüber der ersten Elektrode 5 positiv. Die pn-tJbergänge zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 sowie zwischen Substratgebiet 11 und zweitem Elektrodengebiet 10 sind geöffnet, der pn-tJbergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 ist gesperrt und nimmt den Hauptanteil der anliegenden Spannung auf. Die Spannung an der Steuerelektrode sei zunächst so hoch, daß noch kein Inversionskanal entsteht.

Die Ausbildung der Raumladungsschicht des gesperrten pn-Überganges zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet in Richtung des ersten Elektrodengebietes 8 wird an der Vertiefung 4 behindert, so da!3 sie sich nicht wesentlich über deren tiefste Stelle hinaus ausdehnt. Damit wird der ungesteuerte Durchbruch C"punch-throught") in Vorwärt sr ichtung behindert.

Wenn an die Steuerelektrode 6 eine gegen die erste Elektrode 5 positive Spannung angelegt wird, so wird, wie bereits bei J?ig. 1 beschrieben, unter der Vertiefung 4 ein Inversionskanal gebildet, der durch Zufuhr von Iadungsträgern in das Substratgebiet 11 den Übergang den Halbleiterbauelementes in einen niederohmigen Zustand (Zünden) auslöst.

Der gleiche, wie bei Fig. 1 beschriebene Vorteil, daß das Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode aus löschbar ist, kann dadurch erreicht werden, daS zwischen der ersten Elektrode 5 und dem Kanalgebiet 9 eine nicht dargestellte elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird und/oder die Einsenkung der Vertiefung 4 in das

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Halbleitermaterial mehr als ein Drittel der Gesamtdicke einnimmt und die Spannung an der Steuerelektrode 6 negativ wird.

Die Anwendung dünner Halbleiterschichten auf einer isolierenden Trägerschicht 13 bietet u. a. die Möglichkeit, die Isolation zu verbessern, Kapazität herabzusetzen und die Sperrströme zu verkleinern, sowie die Ströme auch mittels licht, durch eine transparente isolierende Trägerschicht 13 hindurch, zu beeinflussen oder zu steuern.

In I¹Xg. 3 ist ein steuerbares Halbleiterbauelement mit symmetrischem Aufbau dargestellt.

Der Aufbau der ersten Elektrode 5» der Vertiefung 4 mit der Steuerelektrode 6 sowie der Schichtaufbau einschließlich der Trägerschicht 13 ist mit dem entsprechenden Aufbau in Pig, 1 identisch.

Die Besonderheit dieser Ausführungsvariante ist darin zu sehen, daß links neben der zweiten Elektrode 7, d. h. zwischen der Steuerelektrode 6 und der zweiten-Elektrode 7 eine zusätzliche V-förmige Vertiefung 14 mit einer zusätzlichen Steuerelektrode 15, die den gleichen Aufbau, wie die eigentliche Vertiefung 4 mit der Steuerelektrode 6 aufweist, eingebracht ist. Der Schichtaufbau unter der zusätzlichen Vertiefung 14 und der zweiten Elektrode 7 ist mit dem Schichtaufbau unter der ersten Elektrode 5 und der Vertiefung 4 spiegelbildlich identisch, d. h., unter der zweiten Elektrode 7 befindet sich ein n⁺-dotiertes spiegelbildlich angeordnetes erstes Elektrodengebiet 17, welches an einem Teil der rechten Seite der zusätzlichen Vertiefung 14 anstößt. Dabei überdeckt dieses Gebiet 17 die zweite Elektrode 7 nicht ganz, sondern läßt noch einen Bereich frei, in dem ein p-dotiertes spiegelbildlich angeordnetes Kanalgebiet 16 an die zweite Elektrode 7 anstößt. Von der zweiten Elektrode 7 aus verläuft das spiegelbildlich angeordnete,Kanalgebiet 16 wannenformig unter dem spiegelbildlicli angeordneten ersten Elektrodengebiet 17, umschließt die Spit?-- der

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zusätzlichen V-förmigen Vertiefung 14 und endet links der zusätzlichen Vertiefung 14 in Höhe des ersten Elektrodengebietes 8 und des spiegelbildlich dazu angeordneten Elektrodengebietes 17.

Das Substrat/Gebiet weist einen Bereich 1? Innerer ßotandenkonzentration in der Größenordnung von größer als 10 ^y cm"·' auf, der anstoßend an der rechten Seite der Vertiefung 4 bis zur linken Seite der zusätzlichen Vertiefung 1A unter der Oberfläche 1 des Halbleitermateriales in einer Höhe, die gleich, der Höhe des ersten Elektrodengebietes 8 ist, verläuft.

Die iunktionsweise des in Eig. 3 dargestellten steuerbaren Kalhleiterbauelementes entspricht der I'unktionrwcj toe r.weter r< η ti. parallel ^epohaltetcr Halbleiterbauelemento ",onulß !''ir. 1.

Die I'Hinktion des ersten Elektrodongebietor: R, wie bei -Pig. 1 beschrieben, wird bei Sig. 3 je nach Polung der Spannung zwischen erster Elektrode 5 und zweiter Elektrode 7 entweder von dem ersten Elektrodengebiet P- oder dem spiegelbildlich dazu abgeordneten Elektrodengebiet 17 übernommen. Ist beispieleweise die zweite Elektrode positiv fegen die erste Elektrode 5, so ist das Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode β aus steuerbar und in '«η und η ton Zustand fließt dr-r Strom über die r,voito JIfO!etrode 7, das rpiegelbildlich angeordnete erste Elektrodengebiet 17, das Substratgebiet 11 und den Bereich 1? des Substratgebietes 11, den Inversionskanal unter Cnr Vertiefung 4 und über dos erste Elektrodengebiet S r;ur ersten Elektrode 5·

"Sei umgekehrter Polung fließt der Strom in analoger Nielse. Somit ist die Steuerung des Stromes in beiden richtungen jeweils über die Steuerelektrode 6 oder die zusätzliche Steuerelektrode 15 möglich, 'fenn somit beide Steuerelektroden 6 und 15 eine ausreichende, gleich große positive Spannung erhalten, z.B. durch eine elektrisch leitende Verbindung beider Elektroden f und 15 miteinander und/oder Beaufschlagen mit Wechselspannung, ist die Zündung und löschung in beiden Stromr ich tunken möglich und die Kennlinie ssjEwpnetrisch.

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• β 9 *■ 1 «t

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen zur Patentanmeldung "Steuertare s Halbleiterb auelernent"

1 Oberfläche des Halbleitermateriales

2 i'enster der Isolierschicht

3 Isolierschicht

4 Vertiefung

5 erste Elektrode

6 Steuerelektrode

7 zweite Elektrode

8 erstes Elektrodengebiet

9 Kanalgebiet

10 zweiteε Elektrodengebiet

11 Bubεtratgebiet

12 Bereich, höherer Dotandenkonzentration

13 Trägerschicht

14- zusätzliche V-förmige "Vertiefung

15 zusätzliche Steuerelektrode

16 spiegelbildlich angeordnetes Kanalgebiet

17 spiegelbildlich angeordnetes erstes Elektrodengebiet

Leerseite

Claims

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Erfindungsanspruch

Steuerbares Halbleiterbauelement mit einer durch, eine Trägerschicht en der Unterseite begrenzten Ilalbleiterschicht, in der sich, wenigstens eine. V- oder TJ-formige Vertiefung befindet, die mit einer Isolierschicht überzogen ist, auf der eine mit einer Elektrode versehene elektrisch, leitende Schicht aufgebracht ist und eine Halbleiterschicht an der Oberseite eine diese überdeckende, teilweise mit I'enstern versehene Isolierschicht aufweist, in der vorzugsweise metallisierte oder aus l-olysilizium bestehende, mit Elektroden versehene elektrisch leitende Bereiche angeordnet sind, gekenDzeichnet dadurch, daß in einem seitlichen Abstand zu einer Seite der Vertiefung (4) eine mit einer ersten Elektrode (5) versehene elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist, unter der ein erstes Elektrodengebiet (δ), welches sich bis zu einer diesem zugewandten Seite der Vertiefung (4) im Halbleitermaterial erstreckt und vorzugsweise n⁺-dotiert ist, daß in einem seitlichen Abstand zu einer anderen Seite der Vertiefung (4) eine mit einer zweiten Elektrode (7) versehene elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist, unter der sich, im Halbleitermaterial ein zweites, vorzugsweise ρ -dotiertes, Elektrodengebiet (10) befindet, an das sich ein vorzugsweise η-dotiertes Substratgebiet (11) anschließt, welches sich mindestens bis zu einer diesem zugewandten Seite der Vertiefung (4) im Halbleitermaterial erstreckt und daß unter der Vertiefung (4) ein an das erste Elektrodengebiet (8), an das Substratgebiet (11) und an die Vertiefung (4) angrenzendes, vorzugsweise p-dotiertes Kanalgebiet (9) eingebracht ist.

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2. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der ersten Elektrode (5), dem ersten Elektrodengebiet (δ) und dem Kanalgebiet (q) eine elektrisch leitende Verbindung besteht und/oder das Halbleitermaterial, vorzugsweise in einer Größenordnung von 0,5 bis 5 /um,"auf einer isolierenden Trägerschicht (I3) aufgebracht ist.
3. steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurchj, daß dss Subs tr at gebiet (11) einen Bereich mit höherer Dotandenkonzentration (12), als das Substratgebiet (11) an sich, enthält, welcher sich von der Seite der Vertiefung (4), an die das Substratgebiet (11) angrenzt, unter der Oberfläche (1) des Halbleitermateriales zu dem zweiten Elektrodengebiet (10) hin erstreckt, ohne dieses zu berühren.
4. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, da3 der Schiehtaufbau unter der zweiten Elektrode (7) mit dem Schichtaufbau unter der ersten Elektrode (5) spiegelbildlich identisch ist und daß zwischen der "Vertiefung (4) und der zweiten Elektrode (7) eine zusätzliche V- oder TT-förmige Vertiefung (I4) mit Isolierschicht (3) und Elektrode (15) angeordnet ist und der Schichtaufbau unter der zusätzlichen Vertiefung (I4) mit dem Schichtaufbau unter der Vertiefung (4) spiegelbildlich identisch ist.
5. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, daß die p- und n-Dotierungen vertauscht sind.

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