DE3439803C2

DE3439803C2 -

Info

Publication number: DE3439803C2
Application number: DE3439803A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Nakajima; Yoshiaki Hisamoto; Kozo Itami Hyogo Jp Yamagami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1984-10-31
Publication date: 1990-07-26
Also published as: DE3439803A1; US4609933A; JPH026229B2; JPS60119776A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abschaltthyristor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Abschaltthyristor ist aus der EP-OS 00 08 535 bekannt. Die Schichtbereiche des bekannten Abschaltthyristors sind in der Basisschicht, die direkt unterhalb des Emitter-Bereiches liegt, eingebettet und rundherum von der Basisschicht umgeben. Nur Gate-Elektroden-Anordnungen bilden einen direkten Kontakt. Insbesondere haben die Schichtbereiche keinen direkten Kontakt mit den Emitter-Bereichen. Das hat zur Folge, daß die Extrahierung der Ladungsträger beim Abschalten des Abschaltthyristors eine gewisse Zeit dauert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel einer geschichteten Struktur eines herkömmlichen Abschaltthyristors darstellt. Der Abschaltthyristor weist eine vierfach-geschichtete Struktur auf mit einer Emitterschicht 1 vom P-Typ, einer Basisschicht 2 von N-Typ, einer Basisschicht 3 vom P-Typ und einer Emitterschicht 4 vom N-Typ, wobei diese stufenweise mit der untersten beginnend gebildet werden.

Die Emitterschicht 4 vom N-Typ wird jedoch in eine Mehrzahl von Bereichen in planarer Weise unterteilt, und die Oberfläche der Basisschicht 3 vom P-Typ wird mit P⁺-Schichtbereichen 5 zur Herstellung eines Ohmschen Kontaktes gebildet. Eine Anodenelektrode 6 wird auf der Ober fläche der Emitterschicht 1 vom P-Typ gebildet, und Katho denelektroden 7 werden auf der Oberfläche der Emitterschicht vom N-Typ gebildet, und dann werden die P⁺-Schichtbereiche auf der Basis vom P-Typ zur Stromsteuerung gebildet.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Stromfluß durch die Basisschicht 3 vom P-Typ zeigt, während der in Fig. 1 dar gestellte Abschaltthyristor ausgeschaltet ist, wo bei der Strom entlang der Pfeillinien fließt.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die das gegensei tige Verhältnis der jeweiligen zeitabhängigen Änderungen des abzuschaltenden Durchlaßstroms (I _TGQ), der Vorwärtsspan nung (V _D) und des Gate-Stroms (I _GQ) des Abschaltthyristors zeigt. In der Fig. 3 gibt die Ordinate den Strom oder die Spannung wieder, und die Abszisse gibt die Zeit wieder, worin t _gq der Ausschaltzeit nach DIN 41 786: Löschverzug entspricht. Der Anodenstrom fließt, wie in Fig. 2 gezeigt, beim Ausschalten in die Gate-Elektroden 8, und daher werden die Träger in der Ba sisschicht 3 vom P-Typ mit dem Strom zu der Gate-Elektrode allmählich herausgezogen, dadurch wird der sich im leit fähigen Zustand befindliche Bereich verschmälert, so daß der Thyristor letztendlich ausgeschaltet werden kann. Während der Anodenstrom ausgeschaltet wird, wird der Strom jedoch in dem allmählich verschmälerten Bereich im leitfähigen Zustand konzentriert mit dem Ergebnis, daß thermische Zerstörung oder ähnliches in dem verschmälerten Bereich im leitfähigen Zustand auftreten kann. Mittlerweile wurde erkannt, daß es als Verbesserung anzusehen ist, wenn die Träger wirksam und schnell aus der oben beschriebenen Ba sisschicht 3 vom P-Typ herausgezogen werden. Zu diesem Zweck wurden Verbesserungen überlegt, die darin bestehen, daß die Breite L jedes Emitter-Schichtbereichs schmäler ge macht oder daß die Verunreinigungskonzentration der Ba sisschicht 3 vom P-Typ so viel wie möglich vergrößert wird. Obgleich ein gewöhnlicher Abschaltthyristor so aufgebaut ist, daß die Breite L jedes Emitter-Schichtbereichs 4 vom N-Typ so schmal wie einige 100 µm gewählt wird, ist es notwendig, daß die Breite L noch viel schmäler gewählt wird in dem Fall, in dem ein größerer Anodenstrom über das Gate abgeschaltet wird. Wenn die Breite L des Emitter-Schichtbe reichs 4 vom N-Typ jedoch schmäler gewählt wird, so ent stehen Probleme damit, daß die Kathodenfläche verkleinert wird, die Herstellung schwierig wird, die Ausbeuterate verringert wird und ähnliches. Wenn die Verunreinigungskon zentration der gesamten Basisscicht 3 vom P-Typ vergrößert wird, so wird die Übergangswirkung der Ladungsträger von dem Emitter-Schichtbereich 4 vom N-Typ zur Basisschicht 3 vom P-Typ allmählich vergrößert, wodurch ein Stromverstär kungsfaktor α _NPN eines NPN-Transistors, bestehend aus dem Emitter-Schichtbereich 4 vom N-Typ, der Basisschicht 3 vom P-Typ, und der Basisschicht 2 vom N-Typ, durch die Vergröße rung der Verunreinigungskonzentration der Basisschicht 3 vom P-Typ verkleinert wird.

Wie inzwischen ausreichend bekannt ist, muß, um einen Ab schaltthyristor vom Sperrzustand in Vorwärtsrichtung aus einzuschalten, die Summe des oben beschriebenen Stromver stärkungsfaktors α _NPN des NPN-Transistors und des Stromver stärkungsfaktors α _PNP des PNP-Transistors, bestehend aus der Basisschicht 3 vom P-Typ, der Basisschicht 2 vom N-Typ und der Emitter-Schicht 1 vom P-Typ, größer sein als 1.

Wenn die Verunreinigungskonzentration der Basisschicht 3 vom P-Typ zu stark vergrößert wird, so werden die oben be schriebenen Bedingungen nicht angetroffen, mit dem Ergeb nis, daß die Einschaltfunktion des Abschaltthyristors nicht durchführbar ist. Dementsprechend kann die Verunreinigungs konzentration der Basisschicht 3 vom P-Typ nicht über einen bestimmten Wert hinaus vergrößert werden.

Da ein herkömmlicher Abschaltthyristor in der oben beschrie benen Weise aufgebaut ist, bringt dies den Nachteil mit sich, daß die Ausschaltzeitspanne so lang ist, daß der Thyristor nicht als ein Hochfrequenzumformer verwendet wer den kann, während ein Unterbrechungsanodenstrom klein ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abschaltthyristor der eingangs beschriebenen Art vor zusehen, der bei kurzen Abschaltzeiten gute Einschalteigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Abschaltthyristor der eingangs beschriebenen Art gelöst, der durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unter ansprüchen ausgeführt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Die Figuren zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus eines herkömmlichen Abschaltthyristors;

Fig. 2 eine Ansicht des Ladungsflusses des Anodenstroms, während der herkömmliche Abschaltthyristor ausgeschal tet wird;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Änderungen der Spannung und des Stroms, während der herkömmliche Abschaltthyristor ausgeschaltet wird, zeigt;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus einer ersten Ausführungsform eines Abschaltthyristors gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Ansicht des Ladungsflusses des Anodenstroms, während der Abschaltthyristor der ersten Ausführungsform ausgeschaltet wird;

Fig. 6 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus einer zweiten Ausführungsform des Abschaltthyristors, der mit einer Glaspassivierung versehen ist;

Fig. 7 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus einer dritten Ausführungsform des Abschaltthyristors, der als Planar-Typ mit einem Schutzring und einem Kanalschnitt verwendet wird;

Fig. 8 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus einer vierten Ausführungsform des Abschaltthyristors, ausgeführt mit Emitterkurzschlüssen; und

Fig. 9 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus einer weiteren Ausführungsform des Abschaltthyristors, ausgeführt als Typ mit ausge ätzten Gates.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die einen geschichteten Auf bau einer ersten Ausführungsform des Abschaltthyristors zeigt. Der grund sätzliche Aufbau der ersten Ausführungsform ist fast der gleiche wie der in Fig. 1 gezeigte und weist ein Silizium-Wafer einer üblichen Verunreinigungskonzentra tion als eine Basisschicht 2 vom N-Typ auf, die einer Diffusion einer Gruppe-III-Verunreinigung (wie z. B. Al, Ga, B oder ähnlichen) auf beiden daraufliegenden Oberflächen unterzo gen wird, wodurch eine Emitter-Schicht 1 vom P-Typ und eine Basisschicht 3 vom P-Typ auf beiden Oberflächen des Silizium- Wafers gebildet werden. Dann wird, wie gezeigt, zu der Kon zentration, die höher ist als die der Basisschicht 3 vom P-Typ, Bor als eine Verunreinigung der Gruppe III auf eine Ober fläche des Silizium-Wafers diffundiert. Mit anderen Worten, es wird eine P⁺-Schicht in Bereichen 9 unter den unteren Rand teilen der Emitter-Schichtbereiche 4 vom N-Typ, die an schließend gebildet werden, und in Bereichen 10 unter den Gate-Elektroden 8, die anschließend gebildet werden, gebildet, so daß die P⁺-Schicht tiefer ist als die Emitter-Schicht 4 vom N-Typ und flacher als die Basisschicht 3 vom P-Typ. Dann wird Phosphor als Verunreinigung der Gruppe V so diffundiert, daß die oben beschriebenen Emitter-Schicht bereiche 4 vom N-Typ gebildet werden können. Dann werden auf den Oberflächen der Emitter-Schicht 1 vom P-Typ, den Emitter-Schichtbereichen 4 vom N-Typ und den P⁺-Bereichen 10 auf dem Basisbereich 3 vom P-Typ eine Anodenelektrode 6, Kathodenelektroden 7 und Gate-Elektroden 8 gebildet. Der so aufgebaute Abschaltthyristor hat einen Aufbau, bei dem die P⁺-Schicht in den unteren zentralen Teil eines Emitter-Schichtbereichs 4 vom N-Typ verschoben wurde, wodurch ein geeigneter α _NPN erreicht wird. Durch ge eignete Wahl der Verunreinigungskonzentrationen der P⁺- Schichtenbereiche 9 und 10 erhält man einen Abschaltthyri stor mit ausgezeichneten An- und Abschaltcharakteristiken (besonders eine Ausschaltcharakteristik).

Bezogen auf Fig. 5 wird die Arbeitsweise des oben beschrie benen Abschaltthyristors beschrieben. Wenn ein negativer Puls an die Gate-Elektroden 8 angelegt wird, fließt der Anodenstrom zwischen der Anodenelektro de 6 und den Gate-Elektroden 8, und dann werden die Ladungs träger des Anodenstroms schnell zu der Gate-Elektrode 8 durch die Teile 9 und 10 der P⁺-Schichten geringen Wider stands herausgezogen. Die in der Basisschicht 3 vom P-Typ gespeicherten Ladungsträger werden ebenfalls schnell zur Gate-Elektrode 8 durch die Teile 9 und 10 geringen Wider stands herausgezogen. Durch die oben beschriebene Arbeits weise kann die Ausschaltzeit drastisch auf ungefähr 8 µs von herkömmlichen 15 µs, d. h. etwa auf die Hälfte, reduziert werden.

Im vorangegangenen wurde ein Abschaltthyristor von einem Typ, der eine Gate-Elektrode besitzt, die auf einer Basis schicht vom P-Typ gebildet wurde, beschrieben; es wird je doch darauf hingewiesen, daß in gleicher Weise ein Abschaltthyristor mit einem Aufbau, in dem das Verhältnis zwischen P-Typ und N-Typ umgekehrt ist, an gewendet werden kann.

Fig. 6 zeigt einen Abschaltthyristor, der ähnlich dem nach Fig. 4 aufgebaut ist und bei dem zusätzlich eine Glaspassi vierung 11 in der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform vor gesehen ist.

Die Erfindung kann auch bei einem Planar-Typ, wie in Fig. 7 gezeigt, angewendet werden, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 die gleichen oder ähnliche Teile bezeichnen. Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform sind ein P-Schutzring 12 und ein N⁺-Kanalschnitt 13 vorgesehen.

Bei dem in Fig. 8 gezeigten Abschaltthyristor, bei dem die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 die gleichen oder ähnliche Teile kennzeichnen, bilden N⁺-Schicht bereiche 14 Emitterkurzschlüsse.

Die Erfindungs kann auch bei einem wie in Fig. 9 gezeigten Abschalt thyristor mit ausgeätztem Gate angewendet werden, bei dem die Gate-Bereiche 8′ in der Basisschicht 3 vom P-Typ bis zu einer Höhe niedriger als die Emitter-Schicht 4 vom N-Typ abgeätzt sind.

Es wird weiter darauf hingewiesen, daß in jeder dieser Aus führungsformen das Verhältnis von P-Typ und N-Typ umgekehrt werden kann, verglichen mit der in Fig. 4 gezeigten Aus führungsform.

Claims

1. Abschaltthyristor mit

- einer Emitterschicht (1) eines Leitungstypes,
- einer Basisschicht (2) des entgegengesetzten Leitrungstypes, die auf der Emitterschicht (1) des einen Leitungstypes gebildet ist,
- einer Basisschicht (3) des einen Leitungstypes, die auf der Basisschicht (2) des entgegengesetzten Leitungstypes gebildet ist,
- einem Emitterbereich (4) des entgegengesetzten Leitungstypes, der auf einem Teil der Oberflächenschicht der Basisschicht (3) des einen Leitungstypes gebildet ist,
- einer Elektrode (6), die auf der Oberfläche der Emitter schicht (1) des einen Leitungstypes gebildet ist,
- einer anderen Elektrode (7), die auf der Oberfläche des Emitterbereiches (4) des entgegengesetzen Leitungstypes gebildet ist,
- einer Gate-Elektrode (8) auf der Oberfläche der Basisschicht (3) des einen Leitungstypes und
- Schichtbereichen (10, 9) einer hohen Verunreinigungskonzen tration des einen Leitungstypes, die in der Basisschicht (3) des einen Leitungstypes gebildet sind und die tiefer in die Basisschicht (3) des einen Leitungstypes als der Emitterbe reich (4) des entgegengesetzten Leitungstypes hineinragen und die flacher sind als die Basisschicht (3) des einen Leitungs types,
- wobei ein erster Schichtbereich (10) der hohen Verunreinigungskonzentration des einen Leitungstypes direkt unter der Gate- Elektrode (8) und in Kontakt damit gebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schichtbereich (9) der hohen Verunreinigungs konzentration des einen Leitungstypes direkt unter den Rand teilen des Emitterbereiches (4) des entgegengesetzten Leitungstypes und in Kontakt damit gebildet ist.

2. Abschaltthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glaspassivierung (11) in der Oberfläche der Basisschicht (3) des einen Leitungstypes vorgesehen ist, wobei die Glaspassivierung (11) den Emitter bereich (4) und die Schichtbereiche (10, 9) der hohen Ver unreinigungskonzentration umgibt.

3. Abschaltthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Basisschicht (3) des einen Leitungstypes auf einem Teil der Oberflächenschicht der Basisschicht (2) des entgegengesetzten Leitungstypes gebildet ist,
ein Schutzring (12) einer hohen Verunreinigungskonzentration des einen Leitungstypes so gebildet ist, daß er den Basisschichtbereich (3) des einen Leitungstypes umschließt, und
ein Kanalschnitt (13) einer hohen Verunreinigungskonzentration des entgegengesetzten Leitungstypes außerhalb der Schutzringschicht (12) vorgesehen ist (Fig. 7).

4. Abschaltthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Emitterschicht (1) des einen Leitungstypes Bereiche (14) einer hohen Verunreinigungskonzentration des entgegengesetzten Leitungstypes Emitterkurzschlüsse bilden (Fig. 8).

5. Abschaltthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gate-Bereiche (8′) in der Basisschicht (3) des einen Leitungstypes abgeätzt sind (Fig. 9).