DE3842468C3 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Halbleiterbauelemente dieser Art sind z. B. geeignet als
Thyristoren mit statischer Induktion, bipolare Transistoren
mit isoliertem Gate und dergleichen. Sie sind beispielsweise
in der US-PS 40 56 408 und in der JP-OS 60-2 07 376 beschrie
ben. In letzterer Druckschrift ist eine Halbleitervorrichtung
beschrieben, bei welcher auf der einen Seite eines Halblei
tersubstrates die Anodenzone und auf der anderen Seite die
Kathodenzone liegt. Die Zone mit hohem spezifischen Wider
stand ist zwischen Anodenzone und Kathodenzone gebildet, wäh
rend die Gitterdefekt-Zone an gleicher Stelle wie die Zone
mit hohem spezifischen Widerstand liegt und durch Protonenbe
strahlung hergestellt ist. Die Gitterdefekt-Zone wird also
bei dieser Halbleitervorrichtung in solcher Weise gebildet,
daß der Höchstwert der Verteilung der Gitterdefekte in einem
Gebiet der Zone mit hohem spezifischen Widerstand nahe bei
der Anodenzone liegt.
Bei dieser Halbleitervorrichtung bewirkt die Gitterdefektzone,
wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, ein schnelles
Verschwinden der aus der Anode injizierten Löcher, wodurch
eine kurze Ein- und Ausschaltzeit erreicht werden.
Bei hohen Temperaturen wird jedoch die Auswirkung der Gitter
defekte in der Zone hohen spezifischen Widerstandes geringer,
was zu einer verlängerten Lebensdauer der Ladungsträger
führt, mit der Folge einer verlängerten Abschaltzeit. Wenn
eine solche Vorrichtung in einer Schaltung verwendet wird, in
der Schaltvorgänge in kurzen Zeitabständen wiederholt werden,
beispielsweise ein Hochfrequenz-Stromwandler, so nehmen die
durch Stromfluß während der Abschaltzeit verursachten Lei
stungsverluste zu, wobei auch die freigesetzte Wärme zunimmt.
Die freigesetzte Wärme erzeugt einen Temperaturanstieg der
Vorrichtung, wodurch wiederum die Ausschaltzeit verlängert
wird; durch diese Rückwirkung verschlechtern sich insgesamt
die Kenndaten der Vorrichtung. Bezüglich der in der Zone ho
hen spezifischen Widerstandes gelegenen Gitterdefekte tritt
weiterhin die Schwierigkeit auf, daß die oben erwähnten gün
stigen Eigenschaften nicht erhalten bleiben, wenn die Tempe
ratur der Vorrichtung zunimmt, obwohl die Abschaltzeit bei
normalen Temperaturen kürzer ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervor
richtung zur Verfügung zu stellen, deren Ausschaltzeit auch
bei zunehmender Temperatur der Vorrichtung kurz bleibt und
die insgesamt eine ausgezeichnete Abschaltcharakteristik und
hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Halbleiterbau
element erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gitterdefektzone
innerhalb der Anodenzone gelegen ist. Es ist zwar be
reits aus der US-PS 43 11 534 ein Halbleiterbauelement be
kannt, bei welchem eine Gitterdefekt-Zone so nahe der Zone
hohen spezifischen Widerstandes gelegen ist, daß sie ein
schnelles Verschwinden der von der Anodenzone in Richtung der
Zone hohen spezifischen Widerstandes injizierten Löcher bei
normalen Temperaturen bewirkt, jedoch handelt es sich bei
diesem bekannten Halbleiterbauelement um einen herkömmlichen
Thyristor. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist hin
gegen ein Thyristor mit statischer Induktion (SI-Thyristor)
oder ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate (IGBT). Bei
beiden Arten von Halbleiterbauelementen wird durch die Erfin
dung eine Verkürzung der Abschaltzeit besonders bei hohen
Temperaturen im Bereich von 100°C und darüber erreicht.
Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Be
zugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeich
nung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des Halbleiterbauele
ments nach einer ersten Ausführungsform, bei der es
sich um einen Thyristor mit statischer Induktion
handelt;
Fig. 2A ein Diagramm, welches die Gitterdefekt-Verteilung und
die Verunreinigungs-Verteilung bei dem Halbleiter
bauelement nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 2B ein Diagramm, welches die Gitterdefekt-Verteilung
und die Verunreinigungs-Verteilung bei einem als
Vergleich herangezogenen Halbleiterbauelement zeigt,
bei welcher die Gitterdefekt-Zone außerhalb der
Anodenzone liegt;
Fig. 3A ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Temperataur
des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterbauelements und den
Leistungsverlusten während des Abschaltens des
Bauelements zeigt;
Fig. 3B ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Temperatur
des Bauelements und den Abschalt-Leistungsverlusten
bei einem als Vergleich herangezogenen Halbleiterbauelement
zeigt, bei welcher sich die Gitterdefekt-Zone
außerhalb der Anodenzone befindet;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
des Halbleiterbauelements, die einen
Thyristor mit statischer Induktion bildet;
Fig. 5 ein Diagramm, welches die Gitterdefekt-Verteilung und
die Verunreinigungs-Verteilung in der Anodenzone und
in der Kathodenzone sowie in der Pufferzone des Halbleiterbauelements
nach Fig. 4 zeigt; und
Fig. 6 und 7 schematisch Schnittansichten weiterer Ausführungsformen
des Halbleiterbauelements, jeweils in
Form eines bipolaren Transistors mit isoliertem Gate.
Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen. Das dort gezeigte
Halbleiterbauelement 10 bildet einen Thyristor mit statischer
Induktion. Er besteht aus einem Halbleitersubstrat
11 einer Anodenzone 12 auf der einen Seite
dieses Substrats 11, nämlich auf der Bodenseite in der gezeig
ten Darstellung, in Form einer P+-Zone mit hoher Verunreini
gungs- oder Störstoffkonzentration, wobei eine Kathodenzone 13
auf der anderen Seite des Substrates 11, nämlich an der Ober
seite, als N+-Zone von hoher Störstoffkonzentration gebildet
ist; zwei Gatezonen 14, 14a sind ebenfalls an der Oberseite
des Substrates 11 gebildet, beispielsweise in Form einer P⁺-
Zone von hoher Störstoffkonzentration. Zwischen Anodenzone 12
und Kathodenzone 13 ist ferner in dem Substrat 11 eine Zone 15
von hohem spezifischen Widerstand gebildet, beispielsweise ei
ne N--Zone von niedriger Störstoffkonzentration, welche einen
Strompfad bildet. In der Anodenzone 12 ist nahe der Zone 15
von hohem spezifischen Widerstand eine Gitterdefekt-Zone 16
gebildet, insbesondere durch Protonenbestrahlung geeigneter
Dosierung. Wenn die Störstoffverteilung des Halbleiterbauelementes
10 der Darstellung in Fig. 2A entspricht, ist die Git
terdefekt-Zone 16 so gelegen, daß der Höchstwert Q der Gitter
defekt-Verteilung innerhalb der Kurve AN für die Störstoffver
teilung der Anodenzone 12 liegt. Die Gitter
defekt-Zone 16 bewirkt eine Verkürzung der Lebensdauer der La
dungsträger, um ein schnelles Verschwinden der aus der Anodenzone
12 injizierten Löcher zu erreichen.
Auf der Anodenzone 12 ist eine Anodenelektrode 17 gebildet,
und auf der Kathodenzone 13 ist eine Kathodenelektrode 18 ge
bildet. Entsprechend befinden sich auf den Gatezonen 14 und
14a zwei Gateelektroden 19, 19a, die insbesondere durch Ver
dampfungstechnik aufgewachsen sind.
Das Halbleiterbauelement 10 wird leitend und nicht leitend
gesteuert, indem sowohl die Breite der Verarmungsschicht, die
sich bis in die Zone 15 hohen spezifischen Widerstands er
streckt, als auch die Höhe der Potentialbarriere zwischen
Anode und Kathode gesteuert werden. Bei einem solchen Bauelement
10 kann die Stromdichte bei geringem Spannungsabfall in
Durchlaßrichtung sehr hoch sein, was bedeutet, daß der Durch
gangswiderstand sehr klein ist, wobei zusätzlich eine kurze
Abschaltzeit erreicht wird. Überdies verschwinden bei einem
solchen Bauelement 10 die während des Abschaltvorganges inji
zierten positiven Löcher durch die Wirkung der Gitterdefektzone
16, bevor sie die Zone 15 hohen spezifischen Widerstandes
erreichen, so daß die Abschaltzeit verkürzt wird. Die Gitter
defekt-Zone 16 liegt aber nicht innerhalb der Zone 15 hohen
Widerstandes, die eine relativ schwache Störstoffkonzentration
aufweist, sondern innerhalb
der Anodenzone 12, die eine relativ hohe Störstoffkonzentration
und einen relativ niedrigen Widerstand aufweist. Dies
führt dazu, daß das Bauelement 10 weniger empfindlich gegen
eine Temperaturerhöhung ist, denn die Gitterdefekt-Zone 16
liegt in einem Bereich von relativ hoher Störstoffkonzentra
tion. Wegen des niedrigeren Widerstandswertes ist die Zunahme
an Leistungsverlusten der Vorrichtung geringer, so daß die Ab
schaltzeit auch bei hohen Temperaturen kurz bleibt.
Es wird nun die Herstellung des Halbleiterbauelements 10 be
schrieben.
Das Substrat 11 aus einem N⁻-Halbleiter von hohem spezifischen
Widerstand besteht aus monokristallinem Silicium,
das einer Ionenimplantation mit Störstoffen und anschließend
einer Diffusionsbehandlung unterzogen wird, um die Anodenzone
12, die Kathodenzone 13 und die Gatezonen 14, 14a an ihren
vorbestimmten Stellen zu bilden. Anschließend werden die Ano
denzone 12, die Kathodenzone 13 und die Gatezonen 14, 14a mit den
Elektroden 17, 18, 19, 19a versehen, die aus Alu
minium bestehen. Anschließend wird die Stirnseite bzw. Ober
seite des Halbleitersubstrats 11 senkrecht mit Protonen be
strahlt, beispielsweise aus einem Zyclotron-Beschleuniger, um
Kristalldefekte zu verursachen und die Gitterdefekt-Zone 16
herzustellen. Die Protonendosierung ist so gewählt, daß der
Spannungsabfall in Durchlaßrichtung, welcher auf den Gitterde
fekten beruht, nicht ungünstig beeinflußt wird; ferner wird
die Protonenenergie so gewählt, daß die Gitterdefekte so loka
lisiert sind, wie in Fig. 2A gezeigt ist, also nicht so, daß
das Maximum der Verteilung wie in Fig. 2B gezeigt gelegen ist.
Auf diese Weise wird ein Thyristor mit statischer Induktion
hergestellt.
Wenn das Halbleitersubstrat 11 aus monokristallinem Silicium
eine Dicke von etwa 300 µm aufweist, so beträgt die Dicke der
Zone 15 130 µm und die der Anodenzone 12 etwa 150
µm. Der Höchstwert Q der Gitterdefekt-Verteilung liegt etwa 20
oder 30 µm von dem Übergang zwischen der Anodenzone 12 und der
Zone 15 hohen Widerstandes entfernt. Für diese Werte beträgt
die optimale Protonendosierung etwa 1×10¹² cm-2 bis 3×10¹²
cm-2.
Die Protonenbestrahlung erzeugt Gitterdefekte nicht nur in der
Anodenzone 12, sondern auch in der Zone 15 hohen spezifischen
Widerstandes; die Konzentration der Gitterdefekte, die in der
Zone 15 erzeugt werden, ist jedoch im Vergleich zu der in der
Anodenzone 12 vernachlässigbar.
Die optimale Dichte der Gitterdefekte ist etwa 1,5 bis 2,0 mal so groß wie die
Gitterdefekt-Dichte, bei welcher die Summe aus Leitungsver
lusten und Abfallverlusten bei Raumtemperatur minimal ist.
Ein Thyristor mit statischer Induktion, bei welchem die Zone
15 hohen Widerstandes eine Dicke von 130 µm aufweist, die
Anodenzone 12 eine Dicke von 150 µm aufweist und das Maximum Q
der Gitterdefekt-Verteilung in einer Tiefe von 30 µm ab dem
Übergang zwischen den Zonen 12 und 15 gelegen ist, eignet
sich besonders als Schaltelement in einer Einfach-Stromwandler
schaltung. Ein solches Schaltelement wurde mit einer Schalt
frequenz von 50 kHz betrieben, wobei sich die in Fig. 3A ge
zeigte Beziehung zwischen der Temperatur des Bauelements und
den Abschalt-Leistungsverlusten ergab. Zum Vergleich wurde ein
Thyristor mit statischer Induktion, bei dem die Dicke der Zone
15 130 µm beträgt und die Dicke der Anodenzone 12 150 µm be
trägt, während das Maximum der Gitterdefekt-Verteilung im Ober
gangsbereich zwischen Anodenzone und Zone hohen spezifischen
Widerstandes liegt, als Schaltelement einer Einfach-Stromwand
lerschaltung verwendet und mit einer Schaltfrequenz von 50 kHz
betrieben. Fig. 3B zeigt die Beziehung zwischen der Tempera
tur der Vorrichtung und den Abschalt-Leistungsverlusten.
Der Vergleich der Fig. 3A und 3B zeigt, daß der erfindungs
gemäße Thyristor mit statischer Induktion eine ausgezeichnete
Charakteristik bei hohen Temperaturen aufweist und selbst bei
einem Temperaturanstieg von 50°C auf 125°C keine Zunahme der
Abschalt-Leistungsverluste auftritt. Hingegen tritt bei dem
gemäß Fig. 2B ausgebildeten Thyristor, der zum Vergleich her
angezogen wird, eine Zunahme der Abschalt-Leistungsverluste
bei einer Temperaturerhöhung von 50°C auf 125°C auf. Von be
sonderer Bedeutung ist auch, daß die Vorrichtung nach Fig. 2B
aufgrund der erhöhten Leistungsverluste bei höheren Temperatu
ren nicht zuverlässig betrieben werden kann. Hingegen kann das
gemäß Fig. 2A ausgebildete Bauelement auch bei Temperaturen
von mehr als 100°C normal betrieben werden. Die Abschaltzeit
ist vergleichbar mit Bauelement vom MOSFET-Typ.
Fig. 4 zeigt eine Halbleiterbauelement 20, das einen Thyri
stor mit statischer Induktion nach einer weiteren Ausführungs
form der Erfindung bildet. In dieser Vorrichtung liegt eine
Pufferzone 30 in der Zone 15 hohen spezifischen Widerstandes
nahe der Anodenzone 12. Diese Pufferzone 30 ist eine dünne
Störstoffschicht gleichen Leitungstyps wie die Zone 15, hohen
spezifischen Widerstandes, jedoch von einer relativ höheren
Konzentration. Ansonsten stimmt diese Ausführungsform mit der
nach Fig. 1 überein.
Dieses Bauelement wird in nahezu völlig gleicher
Weise wie die nach Fig. 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß
bei den Verfahrensschritten zur Diffusion und Ionenimplanta
tion weitere Schritte zur Herstellung der Pufferschicht hinzu
gefügt werden.
Fig. 5 zeigt die Störstoffverteilung und Gitterdefekt-Vertei
lung des Halbleiterbauelements nach Fig. 4. Es ist zu beach
ten, daß das Maximum Q der Gitterdefekt-Verteilung innerhalb
der Kurve AN für die Anodenstörstoffkonzentration und nahe der
Zone 15 hohen spezifischen Widerstandes liegt; ferner liegt
die Kurve BA für die Störstoffkonzentration der Pufferzone nahe der
Kurve AN für die Störstoffkonzentration der Anode.
Bei dieser Ausführungsform sind der Einfluß der Temperatur auf
die Leistungsverluste vermindert und die Durchbruchsspannung
verbessert. Beim Abschalten des Bauelements erstreckt sich ei
ne Verarmungsschicht von den Gatezonen 14, 14a zur Anodenzone
in Abhängigkeit von der anliegenden Anodenspannung. Die Puf
ferzone 30 von hoher Störstellenkonzentration bewirkt bei die
ser Ausführungsform eine Begrenzung der Ausdehnung der Verar
mungsschicht beim Auftreffen auf diese Pufferzone 30. Das
elektrische Feld im Übergangsbereich zwischen Anodenzone und
Zone hohen spezifischen Widerstandes wird infolgedessen ver
kleinert, wodurch eine höhere Durchbruchsspannung erzielt wird.
Die Pufferzone ermöglicht also eine höhere Spannung in Durch
laßrichtung und verbessert so die Durchbruchsspannungs-Charak
teristik. Zur Herstellung der Halbleiterbauelemente 10, 20
nach den in den Fig. 1 und 4 gezeigten Ausführungsformen
sind verschiedene Verfahren geeignet. Die Anodenzone 12 bzw.
besteht aus einer monokristallinen P⁺-Halbleiterscheibe,
auf der entweder eine N⁻-Schicht als Zone 15 hohen spezifi
schen Widerstandes (Fig. 1) oder aber zunächst eine N⁺-Schicht
als Pufferzone 30 aufgewachsen wird, gefolgt von einer N--
Schicht als Zone 15 hohen spezifischen Widerstandes (Fig. 4).
Die Verunreinigungen bzw. Störstoffe werden dann in die N--Zone
implantiert oder eindiffundiert, um die Kathodenzone 13
und die Gatezonen 14, 14a herzustellen. Dann
werden die Elektroden 17, 18, 19 und 19a
auf der Anodenzone 12 die Kathodenzone 13
sowie die Gatezonen 14, 14a durch Aufdampfen oder
eine ähnliche Technik aufgewachsen. Schließlich wird die Git
terdefekt-Zone 16 durch Protonenbestrah
lung hergestellt.
Das erfindungsgemäße Bauelement ist nicht auf die Verwendung
als Thyristor mit statischer Induktion beschränkt, sondern ist
auch auf bei einem bipolaren Tran
sistors mit isoliertem Gate anwendbar.
In Fig. 6 ist ein Halbleiterbauelement 50 nach einer sol
chen Ausführungsform gezeigt; es bildet also einen bipolaren
Transistor mit isoliertem Gate, der zwei Kathodenzonen 53, 53a
auf der oberen Fläche einer Zone 55 hohen spezifischen Wider
standes aufweist, welche sich oberhalb einer Anodenzone 52 be
findet, in welcher eine Gitterdefekt-Zone 56 in vorbestimmter
Lage gebildet ist. Zwischen der Zone 55 hohen spezifischen Wi
derstandes und den Kathodenzonen 53, 53a ist eine Zone 61 ent
gegengesetzten Leitungstyps gebildet, die aus einer P⁺-Stör
stoffzone gebildet ist. Gateelektroden 59, 59a sind mit
Isolierfilmen 62, 62a auf der Zone 61 entgegengesetzten Lei
tungstyps gebildet. Eine Anodenelektrode 57 ist auf der Anoden
zone 52 gebildet, und eine Kathodenelektrode 58 ist über den
zwei Kathodenzonen 53, 53a gebildet. Die Herstellung und die
Funktion der Gitterdefekt-Zone 56 stimmen mit den zuvor be
schriebenen Ausführungsformen überein, ebenso wie die hier
durch erreichten Effekte.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Bauelement 50 bewirkt eine an
den Gateelektroden 59, 59a angelegte Spannung die Veränderung
eines Kanals, der an der Oberfläche der Zone 61 entgegenge
setzten Leitungstyps gebildet ist, um einen elektrischen Strom
zu steuern, welcher durch die Zone 55 hohen spezifischen Wi
derstandes fließt. Jeglicher Einfluß bzw. Leistungsverlust,
der temperaturbedingt ist, wird durch die Gitterdefekt-Zone 56
in gleicher Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungs
formen vermindert, so daß eine kurze Abschaltzeit auch bei ho
hen Temperaturen erhalten bleibt.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann eine Pufferzone 80 in dem
Bauelement 70 an vorbestimmter Stelle in der Zone 55 hohen
spezifischen Widerstandes in gleicher Weise wie die entspre
chende Zone 30 bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ausgebil
det werden. Diese Pufferzone schränkt die Ausdehnung der Ver
armungsschicht beim Abschalten dor Vorrichtung ein und verbes
sert die Durchbruchsspannungs-Charakteristik. Bei der Ausfüh
rungsform nach Fig. 7 stimmen ansonsten alle Merkmale mit Fig.
6 überein.
Bei den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen ei
nes bipolaren Transistors mit isoliertem Gate wird die "Katho
denzone" üblicherweise als "Source" bezeichnet, während die
"Anodenzone" üblicherweise als "Drain" bezeichnet wird.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen können die Protonenbe
strahlung von der Oberseite bzw. Rathodenseite her erfolgen.
Die Bestrahlung kann aber auch von der Unterseite bzw. Anoden
seite her erfolgen, um die Gitterdefekt-Zone herzustellen.
Claims (4)
1. Halbleiterbauelement in Form eines Hochfrequenz-Thyristors mit stati
scher Induktion oder eines bipolaren Hochfrequenz-Transistors mit iso
liertem Gate, mit auf einer Seite des Bauelements gelegener,
eine hohe Störstoffkonzentration aufweisender Anodenzone,
mit einer Kathodenzone von entgegengesetzter, gleichfalls
hoher Störstoffkonzentration auf der anderen Seite des Bau
elements, mit einer Zone hohen spezifischen Widerstandes,
die zwischen der Anodenzone und der Kathodenzone gebildet
ist, eine geringe Störstoffkonzentration aufweist und einen
Strompfad für einen elektrischen Strom bildet, und mit einer
Gitterdefekt-Zone, welche die Lebensdauer der Ladungsträger
verkürzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterdefekt-Zone
(16; 56) innerhalb der Anodenzone gelegen ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß eine Pufferzone (30; 80) innerhalb der Zone (15;
55) hohen spezifischen Widerstandes nahe der Anodenzone (12;
52) gebildet ist und den gleichen Leitungstyp wie die Zone
hohen spezifischen Widerstandes sowie eine relativ höhere
Konzentration als die Zone hohen spezifischen Wierstandes
aufweist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Gitterdefekt-Zone (16; 56) in der Anodenzone
(12; 52) durch Protonenbestrahlung gebildet ist, wobei das
Maximum der Gitterdefekt-Verteilung innerhalb der Anodenzone
etwa 20 oder 30 µm vom Übergang zwischen der Anodenzone und
der Zone hohen spezifischen Widerstandes entfernt gelegen
ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die bei Raumtemperatur gemessene Dichte der Git
terdefekt-Zone (16; 56) 1,5 bis 2,0mal so groß wie diejenige
Gitterdefekt-Dichte ist, bei welcher die Summe aus Leitungs-
und Abschalt-Leistungsverlusten bei Raumtemperatur minimal
ist.
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