DE3723150A1

DE3723150A1 - Gto-thyristor

Info

Publication number: DE3723150A1
Application number: DE19873723150
Authority: DE
Inventors: Saburo Oikawa; Tsutomu Yatsuo; Yukimasa Satou
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-07-14
Filing date: 1987-07-13
Publication date: 1988-01-21
Also published as: US5021855A; JPH067592B2; JPS6319871A; DE3723150C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor und insbesondere einen GTO-Thyristor mit einem Mehrfachemitter.

Ein über das Gate abschaltbarer, sogenannter GTO-Thyristor ist ein Thyristor, der einen Hauptstrom zwischen den Haupt elektroden (Anode und Kathode) mittels eines in einem Zu stand, bei dem eine Spannung in Vorwärtsrichtung zwischen Anode und Kathode angelegt ist, zugeführten Steuersignals nicht nur ein-, sondern auch abschalten kann. Um das Ab schalten wirksam durchzuführen, ist es vorteilhaft, die Querschnittsfläche eines Strompfades so zu verengen, daß der Einfluß des Steuersignals an allen Stellen des Strompfades gleich wirksam ist. Um einen Ausfall des GTO-Thyristors zu vermeiden, ist es auch vorzuziehen, eine Anzahl von Strom pfaden vorzusehen, von denen jeder von einer länglichen Streifenform mit einer vorbestimmten Länge ist. Durch eine große Anzahl von Streifen kann dann ein großer Strom gelei tet werden.

Die allgemeine Technik des GTO-Thyristors ist in IEEE Trans. ED Bd. ED-31 Nr. 12 vom Dezember 1984 (T. Yatsuo et al) und der US-PS 46 26 888 (T. Nagano, ausgegeben am 2. Dezember 1986) beschrieben.

In einem typischen GTO-Thyristor ist eine Anzahl von Katho denemittern mit länglicher Streifenform, von denen jeder von einer Gate-Elektrode umschlossen ist, auf einer Thyristor tablette angeordnet, wobei jeder Kathodenemitter als ein Elementarthyristor wirkt. Die Oberfläche des Kathodenemit ters ist zur Bildung einer Kathoden- (oder Emitter-)-Elek trode metallisiert. Eine Elekrodenplatte ist in Druckkon takt auf die Oberflächen der Kathodenelektroden der Thyri stortablette aufgebracht, so daß alle Elementarthyristoren parallel betrieben werden.

Es ist jedoch schwierig, in einem GTO-Hochstromthyristor mit großem Durchmesser der Thyristortablette alle Kathoden-Emit terbereiche günstig auszubilden. Um die Herstellung von GTO- Thyristoren mit großem Durchschnitt bei einer relativ hohen Ausbeute zu ermöglichen, werden die Elementarthyristoren ge prüft und diejenigen mit einer schlechten Kathode von der Verwendung ausgeschlossen, so daß nur gute Elementarthyri storen verbleiben (vgl. z. B. die US-PS 43 41 011, Okano et al, ausgegeben am 27. Juli 1982).

Andererseits wird eine Wärmeabgabe von dem GTO-Thyristor dadurch bewirkt, daß eine Wärmesenke wie eine Kühlrippe in Druckkontakt mit der Elektrodenplatte gebracht wird. Um den thermischen Widerstand zu der Wärmesenke niedrig zu halten, ist es erforderlich, einen Druck anzuwenden, der auf der Oberfläche der Elektrodenplatte mit einer festen Fläche einen vorbestimmten Wert nicht unterschreitet. Auf der Thyristortabletten-Oberfläche wird diese Kraft hauptsächlich von der Oberfläche der Kathoden- (Emitter-)-Elektrode aufge nommen, wobei die Kraft gleich der Fläche mal dem Druck ist. Das Belegungsverhältnis der Kathoden- (Emitter-)-Elektroden oberfläche zu der Thyristortabletten-Oberfläche sollte dem nach so groß wie möglich sein.

Wenn die Fläche eines Oberflächenabschnittes einer Kathoden basis, die an der Hauptoberfläche der Thyristortablette freiliegt, und die Fläche einer Gate-Elektrode, die an der Oberfläche der Kathodenbasis vorgesehen ist, größer gemacht wird, nimmt die Fläche des Kathoden-Emitterbereiches und die Fläche der Kathodenelektrode entsprechend ab, so daß das Elektrodenmaterial dazu neigt, zerdrückt zu werden, wenn darauf ein Druck ausgeübt wird. Darüber hinaus ist, wenn die Anzahl der Elementarthyristoren, die als Ergebnis eines Tests ausgesondert wurden, groß ist, die an die anderen Elementarthyristoren angelegte Kraft weiter erhöht. Ent sprechend neigt das Elektrodenmaterial noch mehr dazu, zu sammengedrückt und zerbrochen zu werden. Die zerdrückte Kathodenelektrode dehnt sich möglicherweise aus und schafft einen elektrischen Kontakt zur Gate-Elektrode oder zum Ober flächenabschnitt des Kathoden-Basisbereiches und verursacht dadurch einen Kurzschluß.

In vielen Fällen sind Höhenunterschiede auf der Oberfläche einer Thyristortablette vorgesehen, so daß sich die Gate Elektrode auf einer niedrigeren Oberflächenhöhe befindet. Dadurch kann zwar ein Kurzschluß verhindert werden, die Aufteilung des Kathodenemitters in viele Elementarbereiche ergibt jedoch eine Vergrößerung der Länge des den Höhen unterschied schaffenden Randes. Dadurch können Spannungen am Randabschnitt erzeugt werden, die zu mechanischen Schäden wie Brüchen führen. Eine Vergrößerung der Länge des Randes für Höhenunterschiede ergibt damit eine Erniedrigung der Herstellungsausbeute.

Wenn kein Höhenunterschied vorgesehen ist, sind die Katho den-Emitterelektrode, die Gate-Elektrode und der Kathoden- Basisbereich koplanar angeordnet. In diesem Fall entstehen Kurzschlüsse, wenn sie die Kathode und die Gate-Elektroden einander aufgrund des Eindrückens usw. der Kathodenelektrode beim Herstellen des Druckkontaktes berühren. Auch wenn kein Kurzschluß zwischen den Elektroden verursacht wird, ent stehen Kurzschlüsse, wenn feine Löcher (Pinholes) in einer Passivierungsschicht auf der Kathodenbasis vorhanden sind und sich die eingedrückte Kathodenelektrode in das feine Loch erstreckt.

Für statische Induktionsthyristoren (SI-Thyristoren), GTO- Thyristoren usw. wurden vergrabene ("buried") Gate-Struk turen vorgeschlagen (vgl. z. B. die US-PS 40 86 611, US-PS 41 71 995, US-PS 41 98 645 und JP-A-57 10 971). Ein vergra bener p ⁺-Gatebereich mit hoher Störstellenkonzentration ist dabei in einem p^--Kathoden-Basisbereich mit niedriger Stör stellenkonzentration ausgebildet, wodurch der Abstand zwischen einem Strompfad und einem zu steuernden Bereich verkleinert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen hochzuverlässigen und dabei einfach herzustellenden GTO-Thyristor durch Verwirk lichung einer Bauteilstruktur mit einer großen Kathoden emitter-Elektrodenfläche ohne Verschlechterung der Strom abschaltfähigkeit des GTO-Thyristors zu schaffen.

Es wurden dazu die herkömmlichen GTO-Thyristoren analysiert und es wurde untersucht, was zur Verbesserung der Stromab schaltfähigkeit des GTO-Thyristors bei gleichzeitiger Auf rechterhaltung von dessen Zuverlässigkeit über lange Zeiten erforderlich ist. Dabei wurde festgestellt:

(a) Wenn eine Elektrodenplatte in Druckkontakt mit der Ober fläche einer GTO-Thyristortablette gebracht wird, besteht die Möglichkeit, wenn die Belastung pro Flächeneinheit der Oberfläche der Kathodenelektrode, die in Kontakt mit der Elektrodenplatte ist, zu groß ist, daß die Kathodenelektrode während des Gebrauchs über eine lange Zeit zusammengedrückt wird und durch ein feines Loch in einem Oxidfilm mit dem Koathoden-Basisbereich oder mit einer Gate-Elektrode in Kon takt kommt und damit einen Kurzschluß zwischen der Kathode und dem Gate verursacht. Um dies zu verhindern, kann die Fläche der Kontaktoberfläche der Kathodenelektrode mit der Elektrodenplatte vergrößert werden. Zur Erhöhung der Aus beute ist es jedoch erforderlich, eine Vielzahl von Elemen tarthyristoren herzustellen und die in einem Test als fehlerhaft identifizierten Elementarthyristoren zu elimi nieren, wodurch ein GTO-Bauteil mit nur guten Elementar thyristoren ausgebildet wird.
(b) Bei einer Struktur mit einem Höhenunterschied am Umfang eines Kathoden-Emitterüberganges, um den Kathodenemitter in einem erhöhten Abschnitt durch eine Gate-Elektrode zu um schließen, die an der unteren Fläche angeordnet ist, wird die Länge des Randes, der für den Höhenunterschied sorgt, groß. Dieser Rand neigt dazu, zerbrochen zu werden und unterliegt der Erzeugung von Defekten aufgrund möglicher Fehler in einem Photoätzvorgang. Die Bauteile neigen somit zu einer Instabilität ihrer Eigenschaften, wodurch im End effekt die Herstellungsausbeute erniedrigt wird. Die Länge des den Höhenunterschied schaffenden Randes sollte demnach nicht zu groß gemacht werden.
(c) Wenn die Anzahl von Elementarthyristoren in einem GTO- Bauteil zu groß gemacht wird, ergeben sich Probleme aus der Komplexität der Bauteilstruktur und der Komplexität des er forderlichen Musters, hohe Testkosten usw. sowie eine Er niedrigung der Zuverlässigkeit aufgrund der Konzentration einer Last auf die begrenzte Anzahl von guten Elementar thyristoren, die nach dem Aussortieren der defekten Elemen tarthyristoren verbleiben. Entsprechend sollte die Anzahl von Elementarthyristoren nicht zu groß gemacht werden.

Aufgrund dieser Untersuchungen wird erfindungsgemäß eine Doppelstruktur vorgeschlagen, bei der ein GTO-Elementar thyristor von einer Metall-Gate-Elektrode umschlossen ist und eine Anzahl von Kathoden-Emitterbereichen in dem Ele mentarthyristor ausgebildet ist. Die Kathoden-Emitterbe reiche können einzeln getestet werden. Zwischen den anein ander angrenzenden Kathoden-Emitterbereichen in dem Ele mentarthyristor ist keine Metall-Gate-Elektrode vorgesehen.

Die Bereiche bzw. Flächen des Kathoden-Emitterüberganges und der Kathodenelektrode, die im Elementarthyristor von der Gate-Elektrode des GTO-Thyristors umschlossen sind, sind im Vergleich zur Fläche eines Elementarthyristors im herkömm lichen GTO-Thyristor groß, und jeder der Kathoden-Emitter übergänge und der Kathodenelektroden eines jeden Elementar thyristors ist in eine Anzahl von Segmentbereiche aufge teilt, wobei der Abstand zwischen den Segmentbereichen genügend klein ist. Es ist dadurch möglich, die Anzahl der Segment-Kathodenbereich oder die Anzahl der Segment-Katho denelektroden zu erhöhen und die Fläche der Segment-Katho denbereiche oder -Elektroden zu vergrößern. Eine hochdo tierte vergrabene Schicht wird teilweise in einer Kathoden Basisschicht unter der Kathoden-Emitterschicht ausgebildet, wodurch eine effektive Steuerung jedes Strompfades erfolgt. Vorzugsweise ist der hochdotierte vergrabene Gatebereich unter einem Zwischenbereich zwischen den Segment-Kathoden bereichen angeordnet.

Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, die Leitungsfläche der Gate-Elektrode zu verringern, wodurch die wirksame Fläche der Kathodenelektrode vergrößert wird. Unter der Annahme, daß eine von außen aufgebrachte Kraft durch die Fläche einer Thyristortablette in Abhängigkeit von einem Scheibendurchmesser usw. und einem erwünschten thermischen Widerstand bestimmt ist, ergibt die Erhöhung der Fläche der Kathodenelektrode eine Erniedrigung des Drucks pro Flächen einheit, wodurch das Zerdrücken des Elektrodenmaterials ver hindert wird und die Zuverlässigkeit des GTO-Thyristors über lange Zeiten verbessert wird.

In dem Fall, bei dem ein gewisser Segment-Kathoden-Emitter übergang in einem Test als defekt festgestellt wird, wird die Kathodenelektrode an diesem Abschnitt entfernt oder "ge trimmt". Es wird damit eine Erniedrigung der Herstellungs ausbeute des Bauteiles aufgrund teilweiser unzureichender Durchbruchsspannungen des Kathoden-Emitterüberganges ver mieden.

Da die gegenüberliegenden Strecken der Gate- und Kathoden elektroden klein sind, ist die Möglichkeit eines elek trischen Kontaktes zwischen den Elektroden verringert. Durch den kleinen Abstand zwischen den aneinander angrenzenden Segment-Kathoden-Emitterübergängen ist das Belegungsverhält nis der Kathodenelektrodenfläche groß. Die kleine Fläche des freiliegenden Abschnitts der Basisschicht an der Kathoden seite zwischen den angrenzenden Übergängen ergeben eine Ver ringerung des Anteiles an feinen Löchern oder Pinholes in einer Oberflächenbeschichtung oder Passivierung an diesen freiliegenden Abschnitten.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1A eine Aufsicht auf die Kathodenfläche eines GTO- Elementarthyristors einer ersten Ausführungsform;

Fig. 1B einen vertikalen Querschnitt längs der Linie IB-IB in der Fig. 1A;

Fig. 2A eine Aufsicht auf ein Kathodenmuster eines tatsäch lichen GTO-Thyristors, in dem die Elementarthyri storen der Fig. 1A und 1B angeordnet sind;

Fig. 2B einen vertikalen Querschnitt längs der Linie IIB-IIB in der Fig. 2A; und die

Fig. 3 und 4 vertikale Querschnitte entsprechender Elementarthyristoren weiterer Ausführungsformen.

Eine Ausführungsform des GTO-Thyristors wird nun anhand der Fig. 1A, 1B, 2A und 2B beschrieben.

Die Fig. 1A und 1B zeigen einen Teil des Oberflächen musters bzw. einen Teil des Querschnitts eines Elementar thyristors in einem erfindungsgemäßen GTO-Thyristor. Ein Halbleiterkörper oder -substrat 1 weist eine Emitterschicht 2 des p-Typs an der Anodenseite (im folgenden als Anoden- Emitterschicht bezeichnet), eine Basisschicht 3 des n-Typs an der Anodenseite (als n-Basisschicht bezeichnet), eine Basisschicht 4 des p-Typs an der Kathodenseite (als p-Basis schicht bezeichnet) und eine Emitterschicht 5 des n-Typs an der Kathodenseite (als Kathoden-Emitterschicht bezeichnet) auf.

Das Halbleitersubstrat 1 besteht beispielsweise aus einer Siliziumscheibe von 500 µm Dicke. Die n-Basisschicht 3 hat zum Beispiel eine Störstellenkonzentration in der Größen ordnung von 10¹³ bis 10¹⁵ cm^-3 und eine Dicke von 200 bis 300 µm. Die Störstellenkonzentration der p-Basisschicht 4 ist in der Größenordnung von 10¹⁵ bis 10¹⁷ cm^-3, die Ober flächen-Störstellenkonzentration der Anoden-Emitterschicht 2 ist nicht kleiner als 10¹⁸ cm^-3, und die Oberflächen-Stör stellenkonzentration der Kathoden-Emitterschicht 5 ist in der Größenordnung von 10²⁰bis 10²¹ cm^-3. Die Dicke der n-Basisschicht 3 ist einer der Hauptfaktoren, die die Durchbruchspannung bestimmen.

Die Kathoden-Emitterschicht 5 ist in drei Segmentbereiche aufgeteilt, die erste bis dritte Emitterbereiche 5 A bis 5 C in der p-Basisschicht 4 einschließen. Jeder Segment-Emitter bereich ist von rechteckiger Gestalt, die aneinander an grenzenden Rechtecke sind im wesentlichen parallel zuein ander angeordnet. Jedes Rechteck hat Abmessungen mit einer in der Darstellung der Fig. 1A vertikalen Länge von etwa 3 mm und einer horizontalen Breite von etwa 3 bis 9 mm. Diese Abmessungen können entsprechend der Form eines vergrabenen Gatebereiches, der weiter unten noch beschrieben wird, abge ändert sein. Die Abmessungen der jeweiligen Segment-Emitter bereiche im Elementarthyristor können untereinander ver schieden sein, vorzugsweise sind jedoch wenigstens ihre vertikalen Längen untereinander gleich.

Ein hochdotierter vergrabener Gatebereich 6 ist teilweise in der p-Basisschicht 4 unter der Kathoden-Emitterschicht 5 angeordnet. Der hochdotierte Gatebereich 6 wirkt als eigent liche Gate-Elektrode, die das Potential der p-Basisschicht 4 steuert. Vorzugsweise ist das Muster der vergrabenen Gatebe reiche bei allen Emitterbereichen 5 A, 5 B und 5 C gleich, und es sind vorzugsweise die vergrabenen Gatebereiche an Stellen G 1 und G 2 zwischen aneinander angrenzenden Emitterbereichen 8 A, 8 B und 8 C angeordnet. Die Fig. 1A und 1B zeigen den vergrabenen Gatebereich mit einem Muster in der Form eines parallelen Gitters, die Form des Musters ist jedoch keines wegs darauf beschränkt. Beispielsweise kann das Muster die Form eines Kreuzgitters, eines Geflechts, mehrerer Ringe und ähnlichem haben. Die Form des Emitterbereiches ist ebenfalls nicht auf die gezeigte Rechteckform beschränkt. Erforderlich ist nur, daß eine Anzahl von Emitterbereichen nahe zuein ander innerhalb des Elementarthyristors angeordnet ist und daß der vergrabene Gatebereich unter den Emitterbereichen elektrisch mit einer äußeren Gate-Elektrode mit niedrigem Kontaktwiderstand zur wirksamen Steuerung des Potentials des p-Basisbereichs verbunden ist. Der vergrabene Gatebereich kann durch Dotieren eines Oberflächenabschnittes des unteren Teiles der p-Basisschicht 4 mit p-Typ-Störstellen hoher Konzentration durch Diffusion, Ionenimplantation oder der gleichen und darauffolgendem epitaktischem Aufwachsen des oberen Teiles der p-Basisschicht 4 ausgebildet werden. Dann wird die Oberfläche der p-Basisschicht 4 selektiv mit einer n-Typ-Störstelle zur Bildung der Emitterbereiche 5 A, 5 B und 5 C dotiert. Die obere Oberfläche der vergrabenen Schicht 6 befindet sich zum Beispiel in einer Tiefe von etwa 30 µm von der Oberfläche der Thyristortablette. Die Störstellenkonzen tration der vergrabenen Schicht 6 ist um eine oder mehrere Größenordnungen höher gewählt als die der p-Basisschicht 4 und beträgt zum Beispiel etwa 10¹⁸ cm^-3. Am Umfang des Ele mentarthyristors ist der obere Teil der p-Basisschicht 4 zur Freilegung des vergrabenen Gatebereiches 6 weggeätzt. Im Ergebnis ist der Elementarthyristor als Mesa-Abschnitt aus gebildet, wie es in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist. Die Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 ist mit Ausnahme der Fensterbereiche für Elektroden mit einer Passivierungs schicht 11 aus zum Beispiel Oxid oder Polyimid abgedeckt.

Eine Anodenelektrode 7, Kathodenelektroden 8 A bis 8 C und eine Gate-Elektrode 9 sind durch Aufdampfen oder dergleichen auf den Oberflächen der Anoden-Emitterschicht 2, der Katho den-Emitterschichten 5 A bis 5 C und der p-Basisschicht 4 in ohmschen Kontakt mit niedrigem Widerstand ausgebildet. Als Material für diese Elektroden kann Aluminium (Al) oder eine Aluminium-Silizium-Legierung (Al/Si) verwendet werden. Obwohl gezeigt ist, daß die Anodenelektrode 7 nur die Anoden-Emitterschicht 2 kontaktiert, kann auch eine soge nannte verkürzte Anodenstruktur verwendet werden, bei der die n-Basisschicht 3 an der unteren Oberfläche des Halb leitersubstrates 1 freiliegt und elektrisch mit der Anoden elektrode 7 verbunden ist.

Die Kathodenelektrode ist in Segmente 8 A, 8 B und 8 C ent sprechend den Segment-Kathoden-Emitterbereichen 5 A, 5 B und 5 C aufgeteilt. Durch "Trimmen" oder Entfernen eines der Kathoden-Elektrodensegmente kann der entsprechende Katho den-Emitterbereich ausgesondert werden.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen GTO-Thyri stors ist es, daß die Kathoden-Emitterschicht innerhalb des Elementarthyristors, der von der Gate-Elektrode 9 um schlossen wird, in eine Anzahl von Segment-Emitterbereiche 5 A, 5 B und 5 C aufgeteilt ist und die ohmschen Elektroden 8 A, 8 B und 8 C jeweils in Kontakt mit den Segment-Emitterbe reichen 5 A , 5 B und 5 C stehen. Da zwischen den Emitterbe reichen 5 A, 5 B und 5 C innerhalb des Elementarthyristors keine Gate-Elektrode vorhanden ist, können die Segment-Emit terbereiche nahe beieinander angeordnet werden. Da unter dem Segment-Emitterbereichen der vergrabene Gatebereich 6 vor gesehen ist, kann der Strom effektiv gesteuert werden. Um ein Steuersignal wirksam an den vergrabenen Gatebereich 6 anlegen zu können, ist der vergrabene Gatebereich 6 an einem Umfangsabschnitt des Elementarthyristors freigelegt und die Gate-Elektrode 9 ist an dem freigelegten Abschnitt des ver grabenen Gatebereiches 6 angeordnet. Das heißt, das ein Mesa-Abschnitt, den die Gate-Elektrode 9 umschließt, den Elementarthyristor bildet, und daß die Anzahl der Kathoden- Emitterbereiche nahe beieinander in dem Elementarthyristor ohne Gate-Elektrode dazwischen angeordnet sind.

Die Fig. 2A und 2B zeigen ein konkretes Beispiel für die Anordnung einer Anzahl von Elementarthyristoren der in den Fig. 1A und 1B gezeigten Art bei einem GTO-Hochstrom thyristor. In den Fig. 2A und 2B bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen wie in den Fig. 1A und 1B gleiche oder ähnliche Komponenten.

Die Kathoden-Emitterschicht 5 ist in dieser Ausführungsform als konzentrierter Dreifachring in einem Halbleitersubstrat 1 bzw. einer Thyristortablette ausgebildet. Die Gate-Elek trode 9 umfaßt einen Zentralabschnitt 9 C, acht Arme 9-1 bis 9-8, die sich in radialer Richtung erstrecken, und konzen trische kreisförmige Abschnitte 9 A-1, 9 A-2 und 9 A-3. Der von zwei benachbarten Armen und zwei benachbarten kreisförmigen Abschnitten (einschließlich des zentralen Abschnittes) der Gate-Elektrode 9 umschlossene Teil der Thyristortablette bildet einen Elementarthyristor 8. Jeder Ring der Kathoden Emitterschicht 5 ist durch die Arme 9-1 bis 9-8 der Gate- Elektrode 9 in acht Teile aufgeteilt, so daß sich (je Ring) acht Elementarthyristoren 8 ergeben, die jeweils von der Gate-Elektrode 9 umschlossen sind. Jeder der von der Gate- Elektrode 9 umschlossenen Elementarthyristoren weist bei spielsweise vier Emitterbereiche 8 A bis 8 D auf. Einige der Elementarthyristoren können auch einen Aufbau haben, bei dem ein Emitterbereich nur einen einzigen Elementarthyristor einschließt.

Obwohl die Fig. 2B einen Zwei-Höhen-Schrägkantenaufbau zeigt, kann jeder andere Aufbau in Übereinstimmung mit den Erfordernissen an die Durchbruchspannung usw. angewendet werden.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Gate-Elek trodenplatte 19 in einen Kontakt mit niedrigem Widerstand (oder Druckkontakt) mit dem zentralen kreisförmigen Ab schnitt 9 C der Gate-Elektrode 9 im zentralen Abschnitt der Thyristortablette gebracht, um jedem Elementarthyristor äußere Signale zuzuführen, die den GTO-Thyristor ein- oder ausschalten.

Bei dem GTO-Thyristor mit diesem Aufbau werden zwei Elek trodenplatten 17 und 18, die eine Verbindung mit äußeren Anschlüssen herstellen, in Druckkontakt mit den Anoden- und Kathodenelektroden 7 und 8 gebracht, so daß die Anzahl der Elementarthyristorsegmente und die Anzahl der Segment-Katho den-Emitterbereiche in jedem Elementarthyristor parallel be trieben werden. Die Verbindung mit den äußeren Anschlüssen kann auch durch Löten, Schweißen oder dergleichen anstelle des Druckkontaktes erfolgen (vgl. die US-PS 45 00 903, US-PS 45 42 398, US-PS 32 39 728 und US-PS 44 50 467). Die Nenn werte des damit erhaltenen GTO-Thyristors weisen zum Bei spiel eine Durchbruchsspannung von 4500 V und einen maxi malen Abschaltstrom von 3500 A auf.

Mit dem beschriebenen GTO-Thyristor wird folgendes erreicht:

Da die Kathoden-Emitterschicht 5 im Elementarthyristor, die von der Gate-Elektrode 9 umschlossen ist, in eine Anzahl Bereiche aufgeteilt ist, kann das Belegungsverhältnis der Fläche der Gate-Elektrode 9 auf dem gesamten Halbleiter substrat 1 im Vergleich zu einem einzigen Kathoden-Emitter bereich in einem Elementarthyristor klein gemacht werden, wodurch das Belegungsverhältnis der Fläche der Kathoden elektrode 8 entsprechend vergrößert werden kann. Als Ergeb nis ist der Druck pro Flächeneinheit der Kathodenelektrode, wenn die Elektrodenplatten von entgegengesetzten Seiten des Halbleitersubstrates in Druckontakt damit gebracht werden, verringert, wodurch ein Zerdrücken des Elektrodenmaterials (das zum Beispiel aus Aluminium besteht) verhindert werden kann. Entsprechend ist die Zuverlässigkeit und die Lebens dauer des GTO-Thyristors merklich erhöht.

Die Aufteilung der Kathoden-Emitterschicht im Elementar thyristor in eine Anzahl von Bereiche erlaubt auch die Aussonderung (das Trimmen) nur des defekten Kathodenab schnittes.

Darüber hinaus verringert die Aufteilung der Kathoden-Emit terschicht im Elementarthyristor die Kathoden-Elektroden fläche pro Defekt. Die Verringerung der Arbeitsfläche des Halbleitersubstrates aufgrund des Aussonderns der defekten Kathoden-Emitterschicht ist so minimal. Damit kann ein GTO-Hochstromthyristor mit einer hohen Ausbeute hergestellt werden, wobei dessen Leistungsfähigkeit beibehalten wird.

Die Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors. In der Fig. 3 be zeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1B ähnliche Komponenten. Die Ausführungsform der Fig. 3 unter scheidet sich von der Fig. 1B darin, daß ein Emitter Übergang J 3, der die Kathoden-Emitterschicht 5 bildet, ko planar hergestellt ist und das Ende davon an einer Seiten fläche einer Vertiefung in der Halbleitersubstratoberfläche freilegt. Mit anderen Worten ist in der Fig. 1B ein Emit ter-Übrgang in der sogenannten Planarstruktur und in der Fig. 3 ein Emitter-Übergang in der sogenannten Mesa-Struk tur verwendet. Auch im Falle der Anwendung eines solchen Mesa-Überganges kann die Kathoden-Emitterschicht 5 in dem von der Gate-Elektrode 9 umschlossenen Elementarthyristor in eine Anzahl von Bereichen aufgeteilt werden. Auch in diesem Falle treten kaum Kurzschlüsse auf, auch wenn feine Löcher in der Passivierungsschicht vorhanden sind und die Kathoden elektrode zerdrückt wird. Vorzugsweise wird jedoch der in der Fig. 1B gezeigte Aufbau verwendet, wenn die Gefahr besteht, daß Brüche an den Stellen der Höhenunterschiede auftreten.

Die Fig. 4 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführungs form des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors. In der Fig. 4 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1B ähnliche Komponente. Die Ausführungsform der Fig. 4 unter scheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1B durch die Stelle, an der die Gate-Elektrode 9 in Kontakt (mit niedri gem Widerstand) mit der p-Basisschicht 4 steht. Bei der Ausführungsform der Fig. 1B ist der Kontakt an einer Stelle ausgeführt, die von der Hauptoberfläche des Halbleitersub strates 1 um eine Höhenlage abgesenkt ist, während bei der Ausführungsform der Fig. 4 dieser an der Hauptoberfläche auf der gleichen Höhe wie die Kathodenelektrode 8 ausge bildet ist. Die Ausführungsform der Fig. 4 hat daher den Vorteil, daß kein Ätzprozeß zur Ausbildung einer Vertiefung zur Herstellung des Gate-Elektrodenkontaktes vorzunehmen ist. Es ist jedoch erforderlich, einen tiefen hochdotierten Bereich 6 C herzustellen, der den vergrabenen Gatebereich 6 erreicht.

Die Ausführungsformen der Fig. 1B, 3 und 4 stimmen darin überein, daß unter einem Zwischenabschnitt zwischen den aneinander angrenzenden Segment-Emitterbereichen ein Element des vergrabenen Gatebereiches vorgesehen ist, um im wesent lichen den Betrieb der einzelnen Segment-Emitterbereiche zu vergleichmäßigen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß durch Vergrößerung der leitenden Fläche in dem Halbleitersubstrat eines GTO-Leistungsthyristors zur Verringerung der Druck belastung pro Flächeneinheit, die durch Anlegen von Druck von entgegengesetzten Seiten des Halbleitersubstrates auf die Kathodenelektrode ausgeübt wird, ein sehr zuverlässiger GTO-Hochstromthyristor verwirklicht werden kann, wodurch das technische Problem gelöst wird, das sich aus dem möglichen Zusammendrücken des Elektrodenmaterials bei den herkömm lichen GTO-Thyristoren ergibt und Schwierigkeiten durch Kurzschlüsse zwischen dem Gate und der Kathode, fehlerhaftes Abschalten des Stroms und eine Bauteilzerstörung zur Folge haben kann.

Obwohl das Ausmaß oder die Fläche jedes von der Gate-Elek trode umschlossenen Elementarthyristors groß ist, erlaubt die Aufteilung des Kathodenemitters und der Kathodenelek trode im Elementarthyristor in eine Anzahl von Segmenten das Aussondern einer defekten Kathoden-Emitterschicht in Ein heiten der Segmente. Entsprechend ist die Verringerung der wirksamen Arbeitsfläche des Halbleitersubstrates minimal und es wird eine hohe Herstellungsausbeute erreicht.

Claims

1. Halbleiter-GTO-Thyristor mit einem Halbleitersubstrat (1) mit einer Anzahl von Elementarthyristoren, wobei das Halbleitersubstrat zwischen gegenüberliegenden Hauptober flächen eine Anoden-Emitterschicht (2) an der Anodenseite, eine Anoden-Basisschicht (3) an der Anodenseite, eine Kathoden-Basisschicht (4) an der Kathodenseite und eine Kathoden-Emitterschicht (5) an der Kathodenseite aufweist, die schichtweise zur Bildung von pn-Übergängen aufeinander folgen, und wobei die Anoden-Emitterschicht (2) an einer der Hauptoberflächen und die Kathoden-Basisschicht (4) sowie die Kathoden-Emitterschicht (5) an der anderen der Hauptober flächen freiliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden-Emitterschicht (5) in eine Anzahl von Segmentbereiche (5 A, 5 B, 5 C) aufgeteilt ist und die Kathoden-Basisschicht (4) eine hochdotierte vergrabene Schicht (6) aufweist; daß eine Anodenelektrode (7) in ohm schen Kontakt mit der Anoden-Emitterschicht (2) und eine Gate-Elektrode (9) in ohmschen Kontakt mit der Kathoden- Basisschicht (5) steht, wobei die Gate-Elektrode (9) die Außenseite der Kathoden-Emitterschicht (5 ), die in jedem Elementarthyristor eingeschlossen ist, umschließt und an einander angrenzende Segment-Kathoden-Emitterbereiche in jedem Elementarthyristor nahe zueinander ohne eine Gate- Elektrode dazwischen angeordnet sind; und daß eine Katho denelektrode (8) in ohmschen Kontakt mit der Kathoden- Emitterschicht (5) steht, wobei die Kathodenelektrode (8) innerhalb jedes Elementarthyristors in eine Anzahl von Teilen (8 A, 8 B, 8 C), die den Segment-Kathoden-Emitterbe reichen entsprechen, aufgeteilt ist.

2. Halbleiter-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte vergrabene Schicht (6) in im wesentlichen der gleichen Konfiguration wie die Segment-Kathoden-Emitterbereiche (5 A, 5 B, 5 C) in jedem Elementarthyristor angeordnet ist.

3. Halbleiter-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Elementarthyristoren in der Form eines Mehrfachringes auf dem Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind.

4. Halbleiter-GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segment-Kathoden-Emitterbereiche (5 A, 5 B, 5 C) in jedem Elementarthyristor rechteckförmig sind und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

5. Halbleiter-GTO-Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte vergrabene Schicht (6) in jedem Elementarthyristor in der Form eines parallelen Gitters angeordnet ist.