DE3134074A1

DE3134074A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE3134074A1
Application number: DE19813134074
Authority: DE
Inventors: Takahiro Nagano; Masayoshi Katsuta Naito; Jin Onuki; Fumio Hitachi Sato; Mitsuo Yanagi; Tomio Yasuda; Tsutomu Hitachi Yatsuo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-09-01
Filing date: 1981-08-28
Publication date: 1982-05-06
Also published as: JPS6358376B2; DE3134074C2; US4542398A; JPS56131955A

Description

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HITACHT, LTD., Tokyo, J ap an

Halbleiterbauelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Halbleiterbauelement, z. B, einen Abschaltthyristor mit einem Paar Hauptelektroden und einer Steuerelektrode, wobei zwischen eine Elektrode des Elektrodenpaars und die Steuerelektrode ein Steuersignal angelegt wird, um die Stromleitung zwischen dem Paar Hauptelektroden zu steuern.

Insbesondere eignet sich die Erfindung zum Erhalt von Hochleistungs-Halbleiterbauelementen oder kurz Hochleistungsvorrichtungen für die Steuerung hoher Ströme, ins- · besondere Halbleiterbauelementen zum Steuern großer Ströme.

Ein Halbleiterbauelement für die Steuerung der Leitung eines hohen Stroms mit einer Anordnung, die eine Mehrzahl Emitterzonen umfaßt, deren jede von einem Steuer- oder Gatebereich umgeben ist, kurz ein MehrfachemitLer-Halbleiterbauelement, ist bereits bekannt (vgl. die US-PS. 3 611 07?), Dabei sind bei einem Abschaltthyristor " mit einem scheibenförmigen Halbleitersubstrat Katodenzonen in einer Ebene einer Hauptfläche des Substrats von einer

Gatezone umgeben und so angeordnet, daß sie radial von der Scheibenmitte zu deren Rand verlaufen. 3ede Katodenzone befindet sich in Kontakt mit einer Katode, und die Gatezone befindet sich in Kontakt mit einer Gateelektrode; jede Katode ist ferner in der Ebene der einen Hauptfläche des Substrats von der Gateelektrode umgeben. Bei der Anwendung des Abschaltthyristors werden sämtliche Katoden elektrisch miteinander verbunden, und ihre · Gesamtheit wird als Einzelkathode gehandhabt.

Diese Anordnung hat Bedeutung, wenn es um die Abschaltung hoher Lastströme mit hohem Wirkungsgrad geht. Insbesondere wird durch die langgestreckte Katode, die von der Gateelektrode umgeben ist, sichergestellt, daß ein Unterschied oder eine Unregelmäßigkeit hinsichtlich der Abstände zwischen dem innen liegenden Teil der Katode und dem Gate minimiert wird., so daß das Abschaltsignal von der Gateelektrode effektiv an sämtliche Katodenzonen angelegt wird. Außerdem·wirkt eine Mehrzahl Katodenzonen insgesamt zusammen und vergrößert den Hauptstromflußbereich und damit die Strombelastbarkeit des Abschaltthyristors.

Bei dem Versuch, die Strombelastbarkeit weiter zu steigern, treten jedoch beim Stand der Technik viele Schwierigkeiten auf. Um die Strombelastbarkeit mit der vorstehend erläuterten Mehrfachkatoden- oder Mehrfachemitter-Anordnung zu steigern, ist es erforderlich, die Anzahl dieser Katodenzonen zu vergrößern oder die einzelnen Katodenzonen zu verbreitern oder eine Kombination beider Maßnahmen anzuwenden. Durch eine zu starke Vergrößerung der Fläche der einzelnen Katodenzonen wird jedoch ein gleichmäßiges. Abschalten innerhalb der einzelnen Katodenzonen' verhindert, und diese Maßnahme ist somit nur in begrenztem Umfang anwendbar. Ähnliche Nachteile treten auf, wenn die Länge einer streifenförmigen Katodenzone in einer Ebene einer Hauptfläche des

Substrats vergrößert wird, während ihre Breite unverändert bleibt. Eine Erhöhung der Anzahl Katodenzonen erfordert ferner übermäßig viel Platz, wenn die Katodenzonen radial so angeordnet sind, daß sie in einer einzigen konzentrischen Zone gemäß der US-PS 3 611 072 eingeschlossen sind. Bei einer Erhöhung der Anzahl Katodenzonen muß ferner an sämtliche Katodenzonen das Abschaltsignal unter minimaler Lokalisierung oder im wesentlichen ohne Lokalisierung · angelegt werden, und es ist somit notwendig, nicht nur die Anordnung der Katodenzonen, sondern auch die Geometrie der Gateelektrode und die Art und Weise des Anlegens' des Abschaltsignals an die Gateelektrode von außerhalb des Bauelements zu berücksichtigen. In der US-PS 3 611 072 werden hinsichtlich.eines gleichmäßigen Abschaltens integrale Stabilisierungswiderstände eingesetzt, aber es ergibt sich kein Fortschritt hinsichtlich der Anordnung der Gateelektfode und der Katodenzonen, die einfach eine allgemein bekannte Mitten-Gatestruktur ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiterbauelements, das für die Steuerung großer Ströme geeignet ist; dabei soll ein Mehrfachemitter-Halbleiterbauelement geschaffen werden, bei dem die Beziehung zwischen dem Gatesignal und den einzelnen Emitterzonen stark vergleichmäßigt ist.

Gemäß der Erfindung ist bei einem Halbleiterbauelement ein Halbleitersubstrat vorgesehen mit einer Gatezone, die zu einer Hauptfläche des Substrats hin exponiert

ist, und mit einer Mehrzahl Emitterzonen, die voneinander durch die Gatezone getrennt sind, wobei auf einem Teil der Gatezone, der zu der einen Hauptfläche hin exponiert ist, eine Gateelektrode gebildet ist, die so ausgelegt oder angeordnet ist, daß sie einen Abschnitt aufweist, an den ein externes Steuersignal anlegbar ist; dieser Abschnitt hat im wesentlichen die Form einer kontinuierlichen Linie oder einen geschlossenen Schleife, bevorzugt Ring- oder Kreisform, und die Emitterzonen sind zu beiden Seiten der kontinuierlichen Linie, insbesondere auf der Innen- und der Außenseite der geschlossenen Schleife, angeordnet. Wenn eine große Zahl Emitterzonen vorgesehen ist, wird aus Gründen der Raumersparnis die geschlossene Schleifenform bevorzugt.

In einem fertigen Halbleiterbauelement, in dem ein ein Teil :zum Übertragen des von außen zugeführten Gatesignals auf dem Bereich, der als geschlossene Schleife ausgebildet ist, vorgesehen ist, ist vorteilhafterweise der längs der geschlossenen Schleife gemessene Widerstand geringer als der auf der übrigen Gateelektrode gemessene Widerstand.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise naher erläutert, Es zeigen: ·

Fig. 1 im Schnitt eine Perspektivansicht

eines Abschaltthyristors nach der Erfindung;

Fig. 2 eine größere Teilschnittansicht des Abschaltthyristors nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Oberfläche eines mit Kathodenbereichen ausgebildeten Substrats, das in dem Abschaltthyristor nach Fig. 1 vorhanden ist;

Fig. A- eine geschnittene Explosionsansicht zur Erläuterung der Montage der Komponenten des Abschaltthyristors nach Fig. 1;

Fig. 5 eine geschnittene Explosionsansicht zur Erläuterung der Montage einer Verbund-Katoden- und Gateelektrodenplatte, die eine der Komponenten von Fig. A-'bildet;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Verbundkatoden- und Gateelektrodenplatte , die in dem Abschalt-, thyristor nach Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 7 eine perspektivische Explosionsansicht, die die Montage der Verbundkatode.n- und -Gateelektrodenplatte nach Fig» 6 erläutert;

Fig. 8 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des Abschaltthyristors nach der Erfindung, wobei die Verbundkatoden- und' -Gateelektrodenplatte teilweise entfernt ist;

Fig.-9 im Schnitt eine Perspektivansicht einer

Verbundkatoden- und -Gateelektrodenplatte für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8; und

Fig. 10 eine geschnittene Perspektivansicht einer modifizierten Verbundkatoden- und -Gateelektrodenplatte, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist.

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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-5 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Abschaltthyristors erläutert. Zur Erläuterung des Gesamtaufbaus wird zunächst auf Fig. A- Bezug genommen. Der Abschaltthyristor weist eine Gehäuseeinheit auf, die als Flachgehäuse bezeichnet wird. Dieses Gehäuse umfaßt.eine externe Katode 3, eine externe Anode A-, wobei die Elektroden 3 und A- stift- oder scheibenförmig sind, Flansche 61 und 62, die an den Außenrändern der Elektroden 3 und A- luftdicht gesichert sind, und eine Isolierhülse 5 mit einem oberen und einem unteren Ende, an denen die Flansche 61 bzw. 62 luftdicht befestigt sind. Zwischen den paarigen externen Elektroden 3 und A- sind ein Abschaltthyristor-Substrat 1 und eine Verbundkatoden- und -Gateelektrodenplatte 2 angeordnet. Ein Gateausgang 270, der leitungs- oder stabförmig ist, verläuft von der Platte 2 weg zum Anschluß an ein Gaterohr 7, das die Isolierhülse 5 durchsetzt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 werden nachstehend insbesondere das Abschaltthyristor-Substrat 1 und die Verbund katoden- und -Gateelektrodenplatte .2 erläutert. Das Substrat 1 umfaßt einen p-leitfähigen Emitter (Anode) 12, eine n-leitfähigen Basis 13, eine p-leitfähige Basis (Gate) IA-, einen n-leitf ähigen Emitter (Katode) 15, eine Katode 16, die eine Hauptelektrode bildet und mit dem n-leitfähigen Emitter 15 in Ohmschem Kontakt steht, eine Gateelektrode 17 in Ohmschem Kontakt mit einer freien Fläche der p-leitf ähigen Basis IA- auf derselben Seite einer freien Fläche des n-leitf ähigen Emitter's l'j und eine Anode 18, die die andere Hauptelektrode bildet und durch eine Lotschicht 19 mit dem p-leitfähigen Emitter 12 in Ohmschem Kontakt steht.

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Der n-leitfähige Emitter 15 umfaßt eine Mehrzahl nleitfähige Emitterzonen,, die länglich oder streifenförmig in ebener geometrischer Anordnung vorgesehen sind und von der Gateelektrode umgeben sind. Ein Laminar-·, bereich der vier pnpn-Schichten bildet einen Hauptstromf lußbere.ich, und ein angrenzener Laminarbereich der drei pnp-Sehichten ' bildet einen Steuerbereich.

Die n-leitfähige Emitterzone 15 hat Rechteckform mit einer Breite von ca. 0,2 mm und einer Länge von ca. 5 mm und springt von der Oberfläche der benachbarten p-leitfähiqcn Basis IA- um ca. 30 um vor, so daß eine Mesaform gebildet ist. Die Kathode 16 ist ein aufgedampfter Al-Film mit einer Dicke von ca. 10 um, der mit der Mesadberflache in Ohmschem Kontakt liegt. 3ede n-leitfähige Emitterzone 15 hat die vorgenannte Konfiguration und Konstruktion, und es sind davon insgesamt mehr als 1-50 vorgesehen und radial auf der Oberfläche des scheibenförmigen Substrats 1 so angeordnet, daß sie in zwei konzentrischen Bereichen eingeschlossen sind.

Die n-leitfähigen Emitterzonen 15 sind· von der Gateelektrode 17 umgeben, die ein aufgedampfter Al-Film mit einer Dicke von ca. 10 um ist und in Ohmschem Kontakt mit einem zur Substratoberflächen exponierten Abschnitt der p-leitf ähigen Basis 14- liegt. Die p-leitfähige Basis IA- springt teilweise vor und bildet eine Mesaform IA-O, die mit der n-leitf ähigen Emitterzone bündig ist, und die Gateelektrode 17 setzt sich zu der Oberfläche der Mesa IA-O der p-leitf ähigen Basis IA- fort·. Eine geschlossene kreisförmige Gateelektrodenplatte bzw. ein Gatering 27 ist auf einen kreisförmigen Abschnitt 170 ' der Gateelektrode 17 gedruckt und steht in Kontakt damit.

Nach Fig. 3 verläuft die Mesa 140 der p-leitfähigen Basis in Kreisform zwischen konzentrischen Zonen der doppelkonzentrischen Anordnung radialer n-leitfähiger Emitterzonen 15, und sämtliche n-leitfähigen Emitterzonen 15 sind im-wesentlichen gleichbeabstandet von dem Gatering

Da die Oberfläche der Mesa IA-O im wesentlichen mit der Oberfläche des n-leitfähigen Emitters bündig ist, werden die Verbundelektrodenplatte 2, die den Gatering 27 und die Katodenplatte 26 umfaßt, und das Halbleitersubstrat 1, wenn sie gegeneinander gedruckt werden, in Kontakt miteinander durch den n-leitfähigen Emitter und die Mesa 14-0 gebracht. Im allgemeinen ist das Halbleitersubstrat zur Verwendung in Halbleiterbauelementen für die Steuerung großer Ströme entsprechend der vorliegenden Erfindung scheibenförmig, so daß die Gateplatte 27 ebenfalls bevorzugt ringförmig ist. -

Die Halbleiterschichten im Halbleitersubstrat 1 wurden wie folgt hergestellt. Zunächst wurde ein n-leitfähiges Si-Scheibchen hergestellt, und entgegengesetzte Haupt- -flächen des Si-Scheibchens wurden durch Diffusion mit einem p-leitfähigen Störstoff, z. B. Bor, dotiert zur Bildung des p-leitfähigen Emitters 12 und der p-leitfähigen Basis IA-. Dann wurde die freiliegende Hauptfläche der p-leitfähigen Basis IA- in einem, vorgegebenen Muster durch Diffusion mit einem n-leitfähigen Störstoff, z. B." Phosphor, dotiert zur Bildung des n-leitfähigen Emitters 15. Anschließend wurden der n-leitfähige Emitter 15 und ein Teil der pleitfähigen Basis IA entsprechend der Mesa IA-O mit einer Maske abgedeckt, und der übrige unbedeckte Teil wurde mit einem Ätzmittel in Kontakt gebracht, so daß eine ungleichmäßige Hauptfläche 111 gebildet wurde. Das vorstehend erläuterte Verfahren wurde .nur beispielsweise erläutert, selbstverständlich können auch andere Verfahren angewandt werden.

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Nachstehend wird die Verbundelektrodenplatte 2 erläutert. Die Kathodenscheibe 26 ist eine Mo-Scheibe mit einer •Dicke von ca. 3 mm. Eine Hauptfläche 211 dieser Scheibe ist ausgeschnitten zur Bildung einer ringförmigen Nut 261, in der der Gatering 27 aus Molybdän aufgenommen wird. Der Gatering 27 ist gegenüber der Katodenscheibe 26 durch einen Isolator 201, z. B, aus Glas, isoliert und von diesem in seiner Lage gehalten. Die freie Oberfläche der Gateplatte 27 ist mit der einen Hauptfläche 211 der Scheibe 26 bündig.

Der Gatering 27 hat eine Breite von ca. 1 mm und eine Dicke von ca. 1 mm, und sein elektrischer Widerstand, gemessen längs seiner Ringbahn, ist sehr klein, er beträgt 0,001-1 oder weniger. Nach Fig. 1 befindet sich der Gatering 27 in Kontakt mit einer Gatezuleitung 270 über einen niedrigen Widerstand zur Bildung eines elektrischen. Anschlusses an einen externen Gateanschluß zur Zuführung von Gatesignalen. Die Gatezuleitung 270 gelangt mit dem-Gatering 27 bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel an einer Stelle in Kontakt, aber der Kontakt kann erwünschtenfalls auch an mehreren Stellen erfolgen. Eine Kontakt-' gäbe an mehreren Stellen wird sogar bevorzugt, um den Gatewiderstand zu verringern.

Bei dem vorher erläuterten Ausführungsbeispiel wurde die Verbundelektrodenplatte mit dem in Fig. 5 gezeigten Verfahren hergestellt. Eine Mo-Scheibe 26 mit einer Dicke· von ca, 3 mm wurde eingeschnitten zur Bildung der Ringnut 261, die eine Weite von 1,2 mm und eine Tiefe von ca. 1,2 mm aufweist. In der anderen Hauptfläche 212 der Scheibe 26 wurde eine Ausnehmung 262 gebildet. Diese Ausnehmung 262 verbindet Außenflächen der Nut 261 und der Scheibe 26. Die Mo-Gateplatte 27 wurde so gebildet, daß sie eine Dicke von ca. 1,0 mm und eine Breite von ca. 1,0 mm hat,

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und die Mo-Gatezuleitung 270, die die gleiche Dicke und Breite wie. die Gateplatte 27 aufweist, wurde an eine Stelle auf der Oberfläche der Gateplatte 27 angeschweißt. Anschließend wurden die Mo-Scheibe 26 und der Mo-Gatering 27 mit der Mo-Gatezuleitung 27 zusammengefügt, und es wurde Glaspulver 201 eingefüllt. Die erhaltene Untergruppe wurde einer Wärmebehandlung zur Sinterung des Glaspulvers unterworfen, wodurch die Scheibe 26 und die Gäteplatte "über den Isolator miteinander verbunden wurden.

Das bei diesem Verfahren verwendete Glas hat bevorzugt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der demjenigen von Mo angenähert ist» Nach dem Verbinden durch das Glas wurde die Mo-Gatezuleitung 270 in die vorher in der Mo-Scheibe 26 gebildete Ausnehmung 262 gebogen und dann mit Glas 202 abgedichtet. Danach wurde wenigstens die Unterseite (in Fig. 5 gesehen) der erhaltenen Untergruppe aus der Mo-Scheibe und der Platte durch Läppen poliert, um ihre Ebenheit zu verbessern oder erforderlichenfalls die Ober- und die Unterseite parallel zu machen. ·.- -

Die ringförmige Gateplatte 27 der Verbundelektrodenplatte 2 wird mit dem geschlossen-kreisförmigen Abschnitt 170 der Gateelektrode 17 in Kontakt gebracht Cvgl. Fig. 2,· die eine Draufsicht auf das Substrat 1, gesehen von der Hauptfläche einschließlich der K-atodenelektrode) . Entsprechende Katodenbereiche 16 sind an der Innen- und der Außenseite des kreisförmigen Abschnitts 170 radial und gleichbeabstandet davon und voneinander angeordnet.

Um den Abschaltthyristor in einen Durchlaßsperrzustand einzuschalten, wobei eine bestimmte Stromversorgung und Zuleitung zwischen Katode und Anode geschaltet sind, wird.zwischen die Katode und das Gate eine vorbestimmte Spannung gelegt, die an der Katode eine negative Polarität

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hat. Um den Abschaltthyristor abzuschalten, wird eine vorbe stimmte Spannung, die an der Katode positive ■Polarität hat, zwischen diese Elektroden gelegt. Das erläuterte Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft hinsichtlich des Anlegens der Ein- oder Ausschaltspannung an die einzelnen Katodenbereiche mit geringen Verlusten und hoher Gleichmäßigkeit, weil die externe Gatezuleitung mit dem kreisförmigen Abschnitt 170 des Gates 17 über die ringförmige Gateplatte 27 gekoppelt ist. und die einzelnen Katodenbereiche von dem Abschnitt 170 geringe gleiche Abstände aufweisen. Wenn z.. B. der gesamte durch das Gate aufgenommene Gatestrom 300-500 A während des Abschaltvorgangs ist, ist es möglich, die Differenz der Spannungsabfälle zwischen jeder Katodenzone und der Gatezuleitung auf 10 mV oder weniger im Höchstfall zu halten. Somit ist es möglich, den Nachteil des konventionellen Abschaltthyristors auszuschalten, daß in bestimmten Katodenzonen ein verzögertes Abschalten während des Abschaltvorgangs erfolgt, wodurch Hauptstrom in den bestimmten Katodenzonen konzentriert wird. Aus diesem Grund wird durch den neuen Abschaltthyristor der abschaltbare' Strom verbessert, und zwar insbesondere der nichtperiodisehe maximale abschaltbare Strom, der im fehlerhaften Betrieb auftritt, wobei eine Stoßspannung oder ein Stoßstrom angelegt wird. ·

Zur Erläuterung der Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sei angenommen, daß bei'der doppelkonzentrischen Anordnung der radialen Katodenzonen die externe Gatezuleitung mit der Gateelektrode nur - ebenso wie bei dem konventionellen Zentralgate-Typ - in der Mitte der Anordnung verbunden ist.

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Dadurch, daß die Gateelektrode', die üblicherweise durch Aufdampfen mit einer geringen Dicke von ca. 5-10 um gebildet ist, einen Widerstandswert aufweist, der längs der Hauptfläche des Substrats ansteigt·, tritt in der Gateelektrode ein Spannungsabfall in Richtung des Stromflusses durch das Gate längs der Hauptfläche des Substrats auf, wenn das Abschaltsignal, das relativ zur Katode negativ ist, an die Gatezuleitung angelegt wird.

Aufgrund dieses Spannungsabfalls ist die Potentialverteilung in der Gateelektrode derart, daß relativ zur Katode die Potentialdifferenz nahe der Gatezuleitung groß und in weitem Abstand davon gering ist. Infolgedessen weist der konventionelle Abschaltthyristor den Nachteil auf, daß das Abschaltsignal in einem nahe der Gatezuleitung fließenden Hauptstrom stark und in einem Hauptstromflußbereich fern von der Gatezuleitung schwach ist, was in unregelmäßigen Abschaltvorgängen in den jeweiligen Bereichen resultiert.

Durch die ungleichmäßigen Abschaltvorgänge wird der Laststrom in dem verzögerten Abschaltbereich während des Abschaltvorgangs des Abschaltthyristors konzentriert. Infolgedessen wird der maximale Laststrom, der für ein Abschalten des Abschaltthyristors ohne Durchbruch (maximaler abschaltbarer Strom) verringert im Vergleich zu gleichmäßigen Abschaltvorgängen in den einzelnen Hauptstromfluß be reichen.

Tatsächlich hat sich gezeigt, daß Ströme von ca. 800 A, deren Unterbrechung bzw. Abschaltung bei gleichmäßigen Gatebetrieb zu erwarten ist, infolge ungleichmäßigen Gatebetriebs auf ca. 4-00 A verringert werden. Das vorstehend· erläuterte Ausführungsbeispiel weist zwar eine dem Stand -der Technik ähnliche Anordnung der Katodenzonen

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auf, es werden jedoch dabei die vorgenannten Nachteile vollständig beseitigt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 wird eine modifizierte Verbundelektrodenplatte erläutert, die bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel einsetzbar ist. Nach Fig. 6 umfaßt eine Verbundelektrodenplatte 2' eine Katodenplatte .aus zwei Teilen, d. h. einer Innenscheibe 262 und einem Außenring 263 von ebener Ringform. Zwischen der Innenscheibe 262 und dem Außenring 263 ist eine Verbundstruktur aus einem ■ · Isolationsring 201' und einem Gatering 27' angeordnet. Die Innenscheibe 262 und der Außenring 263 haben jeweils eine Dicke von ca. 1,0 mm. Der Gatering 27' hat eine Breite von ca. 1,0 mm und eine Dicke von ca. 0,5 mm, und sein Widerstand länge einem .Eigenumfang ist sehr klein .und beträgt ca. 0,01Jl. oder weniger. Der Isolationsring 201.' besteht aus Keramik und hat eine Breite von ca. 2,0 mm und. eine Dicke von ca. 0,5 mm. Die Breite des Isolationsrings 201' ist im wesentlichen gleich oder gering kleiner als der Zwischenraum zwischen der Innenscheibe 262 und dem Außenring 263. Eine Gatezuleitung 270' geht von einem Abschnitt des Gaterings 27' aus und verläuft zu einer Stelle oberhalb des Isolationsrings 201' und ist so abgebogen, daß sie sich zum Rand der Verbundelektrodenplatte 2' fortsetzt. Da bei der Ausführungsform nach Fig. 6 die Gatezuleitung 270' über der Verbundelektrodenplatte 2'' liegt, d. h. über deren oberer Hauptfläche, ist eine externe Katode 3', die mit der Verbundelektrodenplätte 2' zusammenzufügen ist, teilweise ausgeschnitten zur Bildung einer Ausnehmung. 300, in der die Gatezuleitung 270' aufgenommen ist, wenn die Verbundplatte 2" und die Elektrode 3" eng zusammengefügt sind. Eine Isolierabdeckung 202' auf der Gatezuleitung 270' gewährleistet eine Isolierung zwischen der Gatezuleitung 270" und der Elektrode 3' im Fall eines gegenseitigen Kon-

takts. Die übrigen Bestandteile des Gehäuses sind im wesentlichen die gleichen wie in Fig. 4- und sind in Fig. 6 night"gezeigt.

Fig. 7" zeigt die Montage der Verbundelektrodenplatte 2' nach Fig. 6. Der Isolationsring 201'■ wurde zunächst von zwei halbkreisförmigen Al_?0^-Hälften gebildet, die jeweils eine Dicke von ca. 0,8 mm und eine Breite von ca. 2,0 mm aufweisen. In einer Oberfläche (Unterseite in der Zeichnung) jeder Hälfte wurde eine Umfangsnut mit einer Weite von ca. 1,0 mm und einer Tiefe von ca. 0,3 mm gebildet. Der Gatering 27' aus Silber (Ag) oder Köval (einer Eisen, Nickel und Kobalt enthaltenden Legierung), dessen Oberfläche versilbert war, wurde mit der Nut des Isolationsrings 201' durch Verwendung von silberhaltigem Lot verbunden. Gleichzeitig wurde die Gatezuleitung 270' aus · Silber oder Kupfer mit einem Durchmesser von ca. 2,0 mm an einen Teil des Gaterings 27' angeschweißt. Die so hergestellte Verbundstruktur aus Isolationsring 201', Gatering 27' und Gatezuleitung 270' wurde zwischen die Innenscheibe 262 und den Außenring 263, die vorher gefertigt wurden, eingesetzt, wodurch die Verbundelektrodenplatte 2'" fertig war.

Das Ausführungsbeispiel des Abschaltthyristors nach den Fig, 8-10 eignet sich für hochleistungsfähige Halbleitervorrichtungen. Nach Fig. 8 weist ein Halbleitersubstrat 1 insgesamt hundert n-leitfähige Emitterzonen 16 auf, die radial so angeordnet sind, daß sie innerhalb von vier konzentrischen Bereichen eingeschlossen sind, und das Halbleitersubstrat 1 trägt eine Verbundelektrodenplatte Zur Verdeutlichung der Anordnung der n-leitfähigen Emitterzonen 16 auf der Substratoberflache ist in Fig. 8 die Verbundelektrodenplatte 2 teilweise entfernt. Ein erster Gatering 271 liegt zwischen der inneren ersten und zweiten konzentrischen Zone der vier konzentrischen Zonen der Anordnung radialer n-leitfähiger Emitterzonen 16. Ein zweiter

•Catering 272 liegt zwischen der dritten und der vierten konzentrischen Zone. Der erste und der zweite Catering 271 und 272 sind durch eine Gatezuleitung 27Ö elektrisch miteinander verbunden. Die Gatezuleitung 270 verläuft außerhalb der Verbundelektrodenplatte 2.

Fig.-9 zeigt im Schnitt die Verbundelektrodenplatte 2. Dieser Aufbau entspricht im wesentlichen demjenigen der Verbundelektrodenplatte 2"nach Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Anzahl Gateringe verschieden ist (einer in Fig. und zwei in Fig. 9). Dabei kann der gleiche Fertigungsvorgang wie in Fig. 5 angewandt werden.

Fig. 10 zeigt eine modifizierte Verbundelektrodenplatte 2', die mit dem Halbleitersubstrat 1 nach Fig. 8 anwendbar ist. Diese Verbundelektrodenplatte 2' nach Fig. 10 entspricht im·wesentlichen derjenigen nach Fig. 6, wobei zwei Gateringe anstatt nur eines Gaterings vorgesehen sind. Es ist zu beachten, daß die Verbundelektrodenplatte 2' nach Fig. 10 zwei Gateringe aufweist, so daß der äußere Ring 263 von Fig. 6 in einen ersten Außenring 2631 und einen zweiten Außenring 2632 in Fig. 10 unterteilt ist·. Zur Fertigung der Verbundelektrodenplatte 2¹ nach Fig. 10 ist das Verfahren anwendbar, das unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert wurde.

Gemäß der Erfindung wird eine Beeinträchtigung der Abschalt· leistung auch bei dem Hochleistungs-Abschaltthyris tor oder der Halbleiterschaltvorrichtung mit mehreren hundert oder mehr n-leitfähigen Emitterzonen vermieden.

Die Verbundelektrodenplatte der vorhergehenden Ausführungsbeispiele weist eine Anzahl Vorteile auf. Erstens kann der Aufbau der Gateelektrode und der Katode vereinfacht

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werden. Zweitens kann die kompakte Unterbringung vereinfacht werden. Drittens ist die vorspringende Mesa WO der p-leitfähigen Basis 14· vorgesehen und so ausgelegt, daß sie dieselbe Höhe wie der n-leitfähige Emitter hat, so daß-bei der Unterbringung in einem Flachgehäuse, wenn das Halbleitersubstrat 1 mit den paarigen externen Elektroden 3 und 4· durch Druck in elektrischen Kontakt gebracht wird, die" Mesa 14-0 einen Teil des übermäßigen Drucks aufnimmt, der sonst auf den n-leitfähigen Emitter ausgeübt werden würde, wodurch eine Verformung öder ein Brechen der auf der Oberfläche des Emitters gebildeten Katode 16 verhinderbar ist. Bisher geschah es häufig, daß die Katode 16 dieser Art von flach gepackten Vorrichtungen infolge des genannten Drucks (ca. 1000 kg/cm" oder mehr) gedrückt wurde und infolge der Wärmeerzeugung in dem Halbleitersubstrat 1 während, des Betriebs der Vorrichtung erwärmt wurde (auf ca. 150 C), so daß einein der Metallografie als "Kriechen" bekannte Erscheinung eintrat, die eine Verformung der Katoden zur Folge hatte. Mit den oben erläuterten Ausführungsbeispielen kann eine solche Verformung vorteilhaft verhindert werden.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielsweise Ausführungsformen erläutert. Z. B. kann das als Mo angegebene Metall für den Gatering und die. Katode durch irgendein anderes hochleitfähiges Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der angenähert demjenigen des Halbleitersubstrats entspricht, ersetzt werden, z. B. durch Wolfram (W) oder ein Verbundmaterial, bei dem in einer Cu-Matrix Kohlenstoffasern eingebettet sind. Auch muß es sich bei dem Isoliermaterial, das zwischen dem Gatering und der Katodenplatte angeordnet ist, nicht nur um Glas handeln; dieses kann durch einen Polyimidfilm oder durch Keramik ersetzt werden. Insbesondere eignen sich

maschinell bearbeitbare Keramikmaterialien als Isolationsring 201' in der Verbundelektrodenplatte 2' nach Fig. 6 oder Fig. 10« Z. B. eignet sich ein maschinell bearbeitbares Keramikmaterial, das unter dem Handelsnamen "Macor"(Wz) erhältlich ist.

Außerdem ist es nicht immer erforderlich, die Katodenplatte und den Gatering in der Verbundelektrodenplatte vorzusehen, diese Teile können auch voneinander getrennt sein.·In diesem Fall werden sie unter Zwischenschaltung eines Isolators oder in einem vorbestimmten Abstand voneinander montiert. Die Kreisform des Gaterings eignet sich zwar für die Halbleitersubstratscheibe, aber der Gatering kann verschiedene Formen aufweisen» Der Gatering und die Gateelektrode können durch verschiedene Teile gebildet werden, oder sie können aus im wesentlichen demselben Teil bestehen, Wenn z. B. der vorspringende Abschnitt 170 der Gateelektrode 17 dicker als die übrige Gateelektrode 17 ausgelegt ist, kann der Gatering 27 entfallen. In diesem Fall wirkt der Abschnitt 170 praktisch als Gatering.

Außerdem ist es nicht immer notwendig, den vorspringenden Teil der Gateelektrode und die Katode koplanar auszubilden. In diesem Fall müssen jedoch die Niveaus des Gaterings und der Katodenplatte in der Verbundelektrodenplatte so justiert werden, daß sie in engem Kontakt mit vorbestimmten Teilen des Halbleitersubstrats liegen.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Thyristoren erläutert; selbstverständlich ist die Erfindung auch im Fall von Halbleitervorrichtungen mit engen Mustern, z. B. Leistungstransistoren, elektrostatischen Induktions- oder Feldeffektthyristoren und rückwärtssperrenden Thyristoren, anwendbar.

■II-

Leerseite

Claims

1., Halbleiterbauelement mit

- einem Halbleitersubstrat mit zwei entgeyenycsetζ1 en Hauptflächen, das zwischen den Hauptflächen eine Mehrzahl von ersten Halbleiterzonen eines ersten Leitfälüqkeitstyps, die zu einer Hauptfläche des Substrats hin exponiert sind, und eine zweite Halbleiter zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem erst.en Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, angrenzend an die ersten · Halbleiterzonen und zu der einen Hauptfläche hin exponiert aufweist, so daß die ersten Halbleiterzonen jeweils voneinander getrennt und von der zweiten Halbleiterzone in der einen Hauptfläche, umgeben sind,

- einer Mehrzahl von ersten Elektroden, die direkt auf den ersten Halbleiterzonen angeordnet sind,

- einer zweiten Llektrode, die direkt auf der /weiten Halbleiter zone angeordnet ist,

- einem ersten Leiter, der die ersten Elektroden elektrisch miteinander verbindet, und

- einem zweiten Leiter, der von der zweiten Elektrode ausgeht,

gekennzeichnet durch

- ein elektrisches Verbindungsglied (27), das die zweite Elektrode (170) mit dem zweiten Leiter (27Ü) verbindet, und das wenigstens eine geschlossene Schleifenform in der Oberfläche der zweiten Elektrode (170) aufweist, wobei die ersten Halbleiterzonen (16) längs einer Innen- und einer Außenseite der geschlossenen Schleifenform (?7) angeordnet sind.

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2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die geschlossene Schleife (27) im wesentlichen kreisförmig ist, und

daß die ersten Halbleiterzonen (16) jeweils als Streifen ausgebildet und radial auf der Innen- und der Außenseite des Kreises (27)" angeordnet sind.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch· gekennzeichnet,

daß die kontinuierliche Linie eine Mehrzahl von im wesentlichen konzentrischen Kreisen (271, 272) umfaßt, und daß die ersten Halbleiterzonen (16) jeweils als Streifen ausgebildet und radial auf einer Innen- und einer Außenseite jedes Kreises (271, 272) angeordnet sind .

4·. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das elektrische Verbindungsglied ein Met al le lenient mit kontinuierlicher Linienform aufweist, das direkt auf der zweiten Elektrode (170) angeordnet ist.

5. Halbleiterbauelement vom Absc.halttyp mit - einem Halbeitersubstrat mit zwei entgegengesetzten Hauptflächen, das zwischen den Hauptflachen aufeinanderfolgend aufweist: eine Mehrzahl erste Emitterzonen eines ersten Leitfähigkeitstyps, die zu einer Hauptfläche hin exponiert sind, eine erste Basiszone eines zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitsr typs angrenzend an die ersten Emitterzonen und zu der einen Hauptfläche hin exponiert, so daß die ersten Emitterzo.nen voneinander getrennt und von der ersten Basiszone in der einen Hauptfläche umgeben sind, eine zweite Basiszone des ersten Leitfähigkeitstyps angren-

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zend an die erste Basiszone und eine zweite Emitterzone des anderen Leitfähigkeitstyps angrenzend an die zweite Basiszone und zu der anderen Hauptflächc des Substrats hin exponiert,

- einer Mehrzahl von ersten Hauptelektroden, die direkt auf den ersten Emitterzonen der einen Hauptfläche angeordnet sind,

- einer zweiten Hauptelektrode, die direkt auf der zweiten Emitterzone auf der anderen Hauptfläche angeordnet ist, und

- einer Gateelektrode, die direkt auf der ersten Basiszone auf der einen Hauptfläche angeordnet ist,

gekennzeichnet durch

- eine Verbundstruktur, die umfaßt:

einen im wesentlichen plattenförmigen Leiter (2), der auf den ersten Hauptelektroden (16) so anzuordnen ist, daß diese elektrisch untereinander verbunden sind, wenigstens einen im wesentlichen ringförmigen Leiter (27), der auf der Gateelektrode (170) anzuordnen ist, und

einen Isolator (201), der den ringförmigen Leiter (27) gegen den plattenförmigen Leiter (2) elektrisch isoliert, und

- ein Paar externe Hauptelektroden (3, 4), die auf dem plattenförmigen Leiter (2) bzw. auf der zweiten Hauptelektrode (18) angeordnet sind,

wobei die ersten Emitterzonen im wesentlichen radial längs einer Innen- und einer Außenseite des ringförmigen Leiters (27) angeordnet sind.

6» Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die eine Hauptfläche des Halbleitersubstrats eine unebene Fläche ist,

diean den ersten Emitterzonen (15) und an einem Teil der ersten Basiszone (1^) Mesa-Abschnitte aufweist, auf denen der ringförmige Leiter (27) angeordnet ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Oberflächen der*~Tiesa-Abschnitte in einer Ebene liegen.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der plattenförmige Leiter wenigstens eine Ringnut in einer Oberfläche zum Anschluß an die ersten Hauptelektroden (16) aufweist, und daß der ringförmige Leiter (27¹) in die Nut eingebettet ist.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daü der plattenförmige Leiter (2') eine Scheibe (26?) und wenigstens einen ebenen Ring (263), dessen Innendurchmesser größer als ein Durchmesser der Scheibe (262) ist,, umfaßt, und

daß der ringförmige Leiter (27')^; zwischen der Scheibe (262) und dem ebenen Ring (263) positioniert ist.