DE3226327A1 - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
Halbleitervorrichtung Semiconductor device
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, insbesondere sogenannte Gate-Ausschaltthyristoren mit verbesserten Kennlinien.The invention relates to a semiconductor device, in particular so-called Gate turn-off thyristors with improved characteristics.
Anders als bei gewöhnlichen Thyristoren benötigt ein Gate-Ausschaltthyristor (im folgenden als GTO-Thyristor bezeichnet) keine Verbindungsschaltung, da der Hauptstrom durch Anlegen einer rückwärts gerichteten Vorspannung an die Gateelektrode unterbrochen werden kann, d.h. der GTO-Thyristor besitzt eine Selbstausschalt-Fähigkeit. Wenn der GTO-Thyristor als Inverter- oder Zerhackerstufe verwendet wird, kann diese Einrichtung mit sehr kleinen räumlichen Abmaßen und geringem Gewicht ausgeführt werden. Bei der Verbesserung der Techniken der Herstellung von Halbleitervorrichtungen muß daher dem GTO-Thyristor besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.Unlike ordinary thyristors, a gate turn-off thyristor is required (hereinafter referred to as GTO thyristor) no connection circuit, as the main current interrupted by applying a reverse bias to the gate electrode can be, i.e. the GTO thyristor has a self-turn-off capability. if If the GTO thyristor is used as an inverter or chopper stage, this device can be used be carried out with very small spatial dimensions and low weight. at the improvement of techniques of manufacturing semiconductor devices must therefore special attention should be paid to the GTO thyristor.
Die Ausschaltverstärkung (im folgenden als Goff genannt) wird dazu verwendet festzustellen, ob die Ausschaltcharak- teristik eines GTO-Thyristors zufriedenstellend ist oder nicht Goff läßt sich durch die Stromverstärkungsfaktoren αnpn und αpnp ausdrücken und zwar von den zwei Teiltransistoren, die den GTO-Thyyristor bilden, und zwar in der folgenden Weise: Um Goff in dem Ausdruck (1) zu vergrößern, sollte (rnpn + rpnp) größer als und dicht bei der Einheit liegen. Aufgrund von überlegungen hinsichtlich der Schaltzeit sollte (αpnp) klein sein. Demzufolge ist es erforderlich (ornpn) groß zu machen. Der Parameter α (representativ für ccnpn und spnp) ist das Produkt aus dem Emitter-Injekti'onswirkungsgrad r und im Transportfaktor ß der Basis.The turn-off gain (hereinafter referred to as Goff) is used to determine whether the turn-off characteristic of a GTO thyristor is satisfactory or not. Goff can be expressed by the current gain factors αnpn and αpnp, namely from the two sub-transistors that make up the GTO thyristor in the following way: To increase Goff in expression (1), (rnpn + rpnp) should be greater than and close to the unit. Due to considerations regarding the switching time, (αpnp) should be small. Accordingly, it is necessary to make (ornpn) large. The parameter α (representative of ccnpn and spnp) is the product of the emitter injection efficiency r and the transport factor β of the base.
Fig. 1 zeigt Profile der Zonen bei einem herkömmlichen Gate-Ausschaltthyristor.Fig. 1 shows profiles of the zones in a conventional gate turn-off thyristor.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen nE eine n-Typ Emitterzone bezeichnet; PB bezeichnet eine p-Typ Basiszone; nB eine n-Typ Basiszone und PE eine p-Typ Emitterzone.In Fig. 1, the reference symbol nE denotes an n-type emitter region; PB denotes a p-type base region; nB an n-type base zone and PE a p-type emitter zone.
In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen J1' J2 und J3 den Übergang der n-Typ Emitterzone nE und der p-Typ Basiszone PB' den Übergang von der p-Typ Basis zone PB und der n-Typ Basiszone nB' und den übergang von der n-Typ Basiszone nB und der p-Typ Emitterzone Die Bezugszeichen CP (J1), die Fremdatomkonzentration in der p-Basiszone PB in der Näher des Übergangs J1; und CnE bezeichnet die Flächenkonzentration der n-Typ Emitterzone nE.In Fig. 1, reference characters J1 ', J2 and J3 denote the junction the n-type emitter zone nE and the p-type base zone PB 'the transition from the p-type Base zone PB and the n-type base zone nB 'and the transition from the n-type base zone nB and the p-type emitter region The reference characters CP (J1), the impurity concentration in the p-base zone PB near the junction J1; and CnE designated the area concentration of the n-type emitter zone nE.
Der zuvor erläuterte Wert (αnpn) kann dadurch vergrößert werden, in dem man den Emitter-Injektionswirkungsgrad (#) nahe bei der Einheit liegend wählt und in dem man den Transportfaktor (ß) in der p-leitfähigen Basis zone PB vergrößert.The previously explained value (αnpn) can be increased by by choosing the emitter injection efficiency (#) to be close to the unit and by increasing the transport factor (ß) in the p-conductive base zone PB.
Der Emitter-Injektionswirkungsgrad (r) kann dadurch nahe bei eins liegend gemacht werden, in dem man die Fremdatomkonzentration in der n-leitfähigen Emitterzone nE erhöht und in dem man die Konzentration in der p-leitfähigen Basiszone P@ vermindert.The emitter injection efficiency (r) can thereby be close to one can be made lying, in which one can determine the concentration of impurities in the n-conductive Emitter zone nE increased and by the concentration in the p-conductive base zone P @ decreased.
Wenn jedoch die Konzentration in der p-leitfähigen Basiszone PB zu sehr vermindert wird, wird der Basiswiderstand erhöht und es wird die Ausschaltfähigkeit des GTO-Thyristors reduziert. Andererseits läßt sich der Transportfaktor (ß) der p-Basiszone PB dadurch erhöhen, in dem man die Dicke der p-Basiszone PB reduziert oder in dem man die Lebensdauer der Minoritätsträger in der p-Basiszone PB erhöht. Es ist jedoch unmöglich, die p-leitfähige Basiszone übermäßig dünn auszuführen, da die Dicke dieser Zone unmittelbar den Basiswiderstand beeinflußt. Es ergibt sich somit, daß zur Verbesserung der Eigenschaften des GTO-Thyristors es wesentlich ist, sehr genau die Konzentrationsprofile der n-Typ Emitterzone nE und der p-Typ Basiszone PB zu steuern. Die Konzentration des herkömmlichen Gate-Ausschaltthyristors ist jedoch nicht immer optimal mit Cp (J1) bei 1070/cm3 bis 1018/cm3 und Cn bei 1019 /cm3 bis 10 20/cm3.However, if the concentration in the p-type base zone PB increases is decreased very much, the base resistance is increased and the turn-off capability is increased of the GTO thyristor reduced. On the other hand, the transport factor (ß) can be the Increase the p-base zone PB by reducing the thickness of the p-base zone PB or by increasing the lifetime of the minority carriers in the p-base zone PB. However, it is impossible to make the p-type base region excessively thin, since the thickness of this zone directly influences the base resistance. It surrenders thus that in order to improve the properties of the GTO thyristor it is essential very precisely the concentration profiles of the n-type emitter zone nE and the p-type base zone PB to control. The concentration of the conventional gate turn-off thyristor is but not always optimal with Cp (J1) at 1070 / cm3 to 1018 / cm3 and Cn at 1019 / cm3 to 10 20 / cm3.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung die zuvor erläuterten Schwierigkeiten und Nachteile bei einem herkömmlichen Gate-Ausschaltthyristor zu beseitigen. Im Rahmen dieser Aufgabe soll eine Halbleitervorrichtung nach der Erfindung geschaffen werden, bei der eine Halbleiterzone eine Flächen-Fremdatomdichte von mindestens 5 x 10 20/cm3 aufweist und bei der eine Halbleiterzone in der Nähe des dritten pn-Übergangs eine Fremdatomkonzentration im Bereich von 5 x 1017/cm3 bis 1,5 x 1018/cm3 aufweist, wobei die Gate-Ausschaltverstärkung im Bereich 5 bis 6 liegt.It is therefore an object of the present invention to provide those explained above Difficulties and disadvantages with a conventional gate turn-off thyristor remove. Within the scope of this object, a semiconductor device according to the invention is intended can be created in which a semiconductor zone has a surface impurity density of has at least 5 x 10 20 / cm3 and in which a semiconductor zone in the vicinity of the third pn junction an impurity concentration in the range of 5 x 1017 / cm3 to 1.5 x 1018 / cm3, the gate turn-off gain in the range 5 to 6 lies.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.In the following the invention is based on an exemplary embodiment explained in more detail with reference to the drawing.
Es zeigen Fig. 1 ein Diagramm eines Fremdatomprofils eines GTO-Thyristors zur Erläuterung des Gegenstandes der Erfindung, Fig. 2 eine graphische Darstellung, die angibt, in welcher Weise IGT des GTO-Thyristors von C (J1) abhängt, Pg <J1) Fig. 3 ein weiteres GTO-Thyristor-Fremdatomprofil-Diagramm, und Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit von IGT des GTO-Thyristors von CnE angibt.1 shows a diagram of an impurity profile of a GTO thyristor to explain the subject matter of the invention, FIG. 2 is a graphic representation, which indicates how IGT of the GTO thyristor depends on C (J1), Pg <J1) FIG. 3 shows a further GTO thyristor foreign atom profile diagram, and FIG. 4 shows a graph Representation showing the dependence of IGT of the GTO thyristor on CnE.
In Fig. 1 stellt dei Kurve (a) den Fall dar, bei welchem CPB (J1) niedrig ist. In diesem Fall entsprechend einer Erhöhung des Injektionswirkungsgrades der n-Emitterzone wird die "ein" Charakteristik eines Gate-Triggerstromes (im folgenden als IGT bezeichnet) oder eine entsprechende Größe verbessert; jedoch wird der Basiswiderstand der p-Typ Basiszone erhöht und die Ausschaltcharakteristik des GTO-Thyristors wird stark abgesenkt. Diese Neigung wird um so stärker, wenn C (J1 ) kleiner wird als 5 x 1017/cm3. PB In Fig. 1 zeigt die Kurve (b) den Fall, bei welchem zur Erhöhung des Basiswiderstandes der Schicht PB' C@ (J1) 18 stark erhöht ist, auf mehr als 1,5 x 1018/cm3. In diesem Fall spielt die Tatsache eine Rolle, daß die Injektion von der n-Typ Emitterzone nE reduziert ist. Diese Erscheinung führt zu einer Erhöhung von IGT.In Fig. 1, curve (a) represents the case where CPB (J1) is low. In this case, it corresponds to an increase in the injection efficiency the n-emitter zone becomes the "on" characteristic of a gate trigger current (hereinafter referred to as referred to as IGT) or an equivalent size improved; however, the base resistance becomes the p-type base zone is increased and the turn-off characteristic of the GTO thyristor becomes greatly lowered. This tendency becomes more pronounced as C (J1) becomes smaller than 5 x 1017 / cm3. PB In Fig. 1, curve (b) shows the case where to increase of the base resistance of the layer PB 'C @ (J1) 18 is greatly increased, to more than 1.5 x 1018 / cm3. In this case, the fact that the injection plays a role is reduced by the n-type emitter zone nE. This phenomenon leads to an increase from IGT.
Fig. 2 zeigt die Beziehung von C (J1 zu IGT Wie sich der Fig. 2 entnehmen läßt, vergrößert sich IGT mit den CPB (J1) Werten von 1018/cm3. Wenn dei Konzentration 1,5 x 1018/cm3@@ überschreitet, so wird IGT größer als 5A, was jedoch in der praktischen Anwendung zu Schwierigkeiten-führt. Im Hinblick auf die Fähigkeit der Ausschaltcharakteristik und der Einschaltcharakteristik sollte die konzentration CPB (J1) bevorzugt bei 5 x 1017/cm3 bis 1,5 x 1018/cm3 liegen.FIG. 2 shows the relationship of C (J1 to IGT as can be seen from FIG IGT increases with the CPB (J1) values of 1018 / cm3. If your concentration If it exceeds 1.5 x 1018 / cm3 @@, IGT will be greater than 5A, which is, however, in practice Application leads to difficulties. With regard to the ability of the turn-off characteristic and the switch-on characteristic should be the concentration CPB (J1) preferably at 5 x 1017 / cm3 to 1.5 x 1018 / cm3.
Die Kurve (c) in Fig. 1 gibt das entsprechende Profil nach der vorliegenden Erfindung an.The curve (c) in Fig. 1 gives the corresponding profile according to the present one Invention.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung von Verunreini- gungsprofilen, wenn C geändert wird. Fig. 4 zeigt ebenn@ falls eine graphische Darstellung und zwar die Abhängigkeit zwischen IGT von C . Im Falle einer niedrigen Kon-@E zentration Cp. (31) ~ 1017/cm3 ist selbst bei Cn#10@@ E /cm3 (Kurve a) der Gate-Triggerstrom IGTrelativ klein und läßt sich praktisch verwenden. Wenn jedoch die Konzentration so groß wird wie C@ (J1) # 1,5 1018/cm3 wird s 1> 1018/cm der Injektionswirkungsgrad reduziert und IGT wird abrupt groß, was jedoch bei der praktischen Verwendung ein Problem darstellt. Jedoch selbst mit 0 ( # 1,5 x PB /cm3 läßt sich IGT durch Erhöhen der Konzentration 0 nE auf mehr als 5 x 1020/cm3 (Kurve b) stark verbessern. Die Kurve (b) in Fig. 3 zeigt das Fremdatomprofil im Sinne der vorliegenden Erfindung. Im allgemeinen wird bei einem GTO-Thyristor die Golddiffusion ausgeführt, um die Träger-Lebensdauer in der n-Typ Basiszone nB zu vermindern.Fig. 3 shows a graphical representation of impurities application profiles, when C is changed. Fig. 4 shows even @ if a graphic representation and although the dependence between IGT on C. In the case of a low concentration Cp. (31) ~ 1017 / cm3 is the gate trigger current even at Cn # 10 @@ E / cm3 (curve a) IGT is relatively small and practical to use. However, if the concentration As large as C @ (J1) # 1.5 1018 / cm3, s 1> 1018 / cm becomes the injection efficiency reduced and IGT abruptly becomes large, however, in practical use Problem. However, even with 0 (# 1.5 x PB / cm3, IGT can be increased by increasing it the concentration of 0 nU to more than 5 x 1020 / cm3 (curve b). the Curve (b) in FIG. 3 shows the foreign atom profile within the meaning of the present invention. In general, gold diffusion is carried out in a GTO thyristor in order to reduce the Reduce carrier life in the n-type base zone nB.
Wenn jedoch das Halbleiterelement Gold mit dem zuvor beschriebenen Profil von der p-Typ Emitterzone PE eindiffundiert wird, so wird eine Getter -Wirkung auf der Seite der n-Typ Emitterzone nE stark beeinflußt, da die Konzentration in der n-Typ Emitterzone nE sehr hoch liegt. Daher wird die Träger-Lebensdauer der p-Typ Basis zone PB nicht reduziert, was zur Verbesserung der Ausschalt- und Einschalt-Eigenschaften beiträgt.However, if the semiconductor element is gold with that described above If the profile of the p-type emitter zone PE is diffused in, a getter effect is created on the side of the n-type emitter zone nE strongly influenced, since the concentration in the n-type emitter zone nE is very high. Therefore, the carrier life becomes the p-type base zone PB is not reduced, which improves the switch-off and switch-on properties contributes.
Aus der vorangegangenen Beschreibung ergibt sich, daß erfindungsgemäß die Flächen-Fremdatomkonzentration der vierten Halbleiterzone auf mehr als 5 x 1020/cm3 eingestellt wird, und daß die Fremdatomkonzentration der drit- ten Halbleiterzone in der Nähe des dritten Übergangs im Bereich von 5 x 1017/cm3 bis 1,5 x 1018/cm3 liegt; d.h.From the preceding description it follows that according to the invention the surface impurity concentration of the fourth semiconductor zone to more than 5 x 1020 / cm3 is set, and that the foreign atom concentration of the third th Semiconductor zone near the third transition in the range from 5 x 1017 / cm3 to 1.5 x 1018 / cm3; i.e.
es wird das optimale Konzentrationsprofil realisiert.the optimal concentration profile is realized.
Daher läßt sich die Gate-Ausschaltverstärkung auch erhöhen, so daß sie im Bereich von 5 bis 6 liegt. Dieser durch die vorliegende Erfindung realisierte Effekt bringt in der Praxis große Vorteile.Therefore, the gate turn-off gain can also be increased, so that it ranges from 5 to 6. This realized by the present invention Effect brings great advantages in practice.
Claims (3)
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