DE3927899A1 - Thyristor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor aus einem Hauptthyristor und einem Hilfsthyristor mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps in einer Halbleiterscheibe, einer Hauptemitterzone mit einem Kathodenkontakt, einer zentral zu dem Hauptkathodenkontakt angeordneten Steuerelektrode, einer zwischen der Hauptemitterzone und der Steuerelektrode angeordneten Hilfsemitterzone mit einem Hilfsemitterkontakt, der einen Teil der Hilfsemitterzone und einen Teil der Steuerbasiszone kontaktiert, derart, daß ein der Steuerelektrode gegenüberliegender Teil der Hilfsemitterzone nicht kontaktiert ist, und mit einem Anodenkontakt, wobei der Hilfsthyristor durch die Zonen der Halbleiterscheibe gebildet wird, die innerhalb der Projektion der Hilfsemitterzone auf dem Anodenkontakt liegen.

Ein derartiger Thyristor ist aus der DE-OS 27 38 152 bekannt. Der Hilfsthyristor dient im wesentlichen dazu, das Einschaltverhalten des Hauptthyristors zu verbessern. Durch einen in die Steuerelektrode eingespeisten Steuerstrom wird zunächst der Hilfsthyristor durchgezündet, der dann als Steuerorgan den Hauptthyristor zündet.

Bei dem vorgenannten Thyristor ist die Ladungsträgerlebensdauer der Minoritätsladungsträger im Bereich der Steuerelektrodenzone größer als die Ladungsträgerlebensdauer in der Hauptthyristorzone. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei einer überhöhten Spannung in Vorwärtsrichtung zunächst nur der Thyristor im Bereich der Steuerelektroden gezündet wird, der dann den Hilfsthyristor zündet und auf diese Weise die Zündung des gesamten Thyristors in der geschilderten Art und Weise einleitet. Es wird somit verhindert, daß bei einer überhöhten Spannung in Vorwärtsrichtung der Thyristor an einer unerwünschten bzw. undefinierten Stelle durchzündet. Die Erniedrigung der Ladungsträgerlebensdauer in der Hauptthyristorzone erfolgt durch Elektronenstrahlen, wobei die Steuerelektrodenzone derart abgeschirmt wird, daß sie relativ zum Hauptbereich mit einer geringeren Strahlungsdosis bestrahlt wird.

Andererseits wird für schnelle Thyristoren eine geringe Freiwerdezeit angestrebt, die durch eine Erniedrigung der Ladungsträgerlebensdauer auf den erforderlichen niedrigen Wert gebracht werden kann. Die Erniedrigung der Ladungsträgerlebensdauer erfolgt in bekannter Weise durch Eindiffusion von Rekombinationszentren, wie z. B. Gold oder Platin, oder durch Bestrahlung mit Elektronen oder Protonen. Dabei wird häufig eine Golddiffusion mit einer Elektronenbestrahlung kombiniert. Durch die Eindiffusion von Rekombinationszentren sowie die Elektronenbestrahlung wird zwar die Lebensdauer und damit die Freiwerdezeit in gewünschter Weise erniedrigt, es tritt jedoch gleichzeitig ein unerwünschter Anstieg des Zündstroms ein. Durch die Erniedrigung der Ladungsträgerlebensdauer werden nämlich die Stromverstärkungsfaktoren der beiden Teiltransistoren des Hilfsthyristors erniedrigt, wodurch eine Erhöhung des Zündstroms bewirkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs definierten Art verfügbar zu machen, der eine niedrige Freiwerdezeit aufweist, ohne daß der Zündstrom auf einen unzulässigen Wert erhöht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich des Hilfsthyristors größer als in dem übrigen Bereich der Halbleiterscheibe ist.

Durch die unterschiedliche Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer im Hilfsthyristor einschließlich des Bereichs der Steuerelektrode und dem Hauptthyristor ist gewährleistet, daß der Hauptthyristor eine geringe Freiwerdezeit aufweist, während durch die höhere Lebensdauer im Bereich des Hilfsthyristors sichergestellt ist, daß der Zündstrom nicht einen vorgegebenen Wert übersteigt.

Ein Verfahren zur Herstellung des Thyristors besteht darin, daß die Ladungsträgerlebensdauer in dem Hauptthyristor durch Elektronenbestrahlung erniedrigt wird und daß der Bereich des Hilfsthyristors während der Eletronenbestrahlung mit einer Maske abgedeckt wird, welche die Energie der Elektronen verringert und die Elektronen teilweise abbremst.

Bei der Abdeckung des Hilfsthyristorbereiches mit einer einfachen Maske besteht jedoch eine Schwierigkeit darin, daß durch Streuung der Elektronen in dem Material der Maske diese in einem bestimmten Bereich unterstrahlt wird und daß eine Schwierigkeit darin besteht, die Maske so zu dimensionieren und zu justieren, daß eine unerwünschte Lebensdauererniedrigung im Bereich des Hilfsthyristors mit Sicherheit vermieden wird.

Dieser Nachteil läßt sich dadurch vermeiden, daß der Hauptthyristor und ein angrenzender Bereich des Hilfsthyristors mit einer ersten Maske abgedeckt ist, welche die Elektronen nur geringfügig abbremst, so daß ihre Energie zur Erniedrigung der Lebensdauer in der Halbleiterscheibe ausreichend ist, daß der Hilfsthyristor und ein angrenzender Bereich des Hauptthyristors mit einer zweiten Maske abgedeckt ist, welche die Energie der Elektronen vollständig abbremst, und daß die beiden Masken lateral derart zueinander angeordnet sind, daß die in der ersten Maske gestreuten Elektronen die zweite Maske soweit unterstrahlen, daß die Lebensdauer in der Halbleiterscheibe unterhalb der zweiten Maske nur im Bereich des Hauptthyristors erniedrigt wird.

Das Wesen der Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Halbleiterscheibe (1) aus Silicium enthält einen Hauptthyristor (2) und einen Hilfsthyristor (3). Der Hauptthyristor (2) besteht aus vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, nämlich der Emitterzone (4), der Steuerbasiszone (5), der Hauptbasiszone (6) und der anodenseitigen Emitterzone (7). An die anodenseitige Emitterzone (7) grenzt ein Anodenkontakt (8), während die Hauptemitterzone (4) mit dem Kathodenkontakt (9) kontaktiert ist. Der Hilfsthyristor (3) wird durch die Hilfsemitterzone (10) gebildet sowie durch die Bereiche der Hauptthyristorzonen, die innerhalb der gestrichelt dargestellten Projektion der Hilfsemitterzone (10) auf den Anodenkontakt liegen. Der Hilfsthyristor (3) und der Hauptthyristor (2) sind zentralsymmetrisch zu der Steuerelektrode (11) angeordnet. Der Hilfsemitterkontakt (12) bedeckt einen Teil des Hilfsemitters (10) und einen angrenzenden Bereich der Steuerbasiszone (5). Der Hauptthyristor und ein angrenzender Bereich des Hilfsthyristors ist mit einer ersten Maske (13) abgedeckt, die als Lochscheibe ausgebildet ist. Als weitere, zweite Maske (14) dient ein Stempel mit einem Ansatz, der in die Lochscheibe eingreift, wobei der verbreiterte Teil des Stempels die Lochscheibe übergreift. Die Dicke der ersten Maske (13) ist so gewählt, daß sie von den auftreffenden Elektronen durchstrahlt wird, die nach Durchlaufen der Maske in die Halbleiterscheibe (1) im Bereich des Hauptthyristors eindringen und dort die Ladungsträgerlebensdauer erniedrigen. Der als zweite Maske (11) ausgebildete Stempel ist derart dimensioniert, daß keine Elektronen durch ihn hindurch in den von ihm begrenzten Bereich der Halbleiterscheibe (1) eindringen können. Durch Streuung der Elektronen in der ersten Maske (13) wird die zweite Maske (14) jedoch derart unterstrahlt, daß eine Lebensdauererniedrigung auch in dem unter der zweiten Maske (14) stattfindet, der außerhalb der strichpunktierten Linie liegt. Die lateralen Abmessungen des Stempels und der Lochscheibe sind so aufeinander abgestimmt, daß die Streuelektronen in der anodenseitigen Emitterschicht (7) gerade bis zur Grenze des Hilfsthyristors (3) gelangen und in dem Bereich außerhalb des Hilfsthyristors die Ladungsträgerlebensdauer erniedrigen.

Die Dicke der Lochscheibe ist so gewählt, daß bei einer vorgegebenen Anfangsenergie der Elektronen noch genügend energiereiche Elektronen in die Halbleiterscheibe eindringen und zu einer Erniedrigung der Ladungsträgerlebensdauer führen. Beispielsweise wird bei einer Anfangsenergie der Elektronen von 10 MEV eine Kupferscheibe mit einer Dicke von ca. 1,5 mm verwendet. Dann treten die Elektronen mit einer Energie von ca. 7 MEV und einem mittleren Streuwinkel von ca. 30° aus ihrer Anfangsrichtung aus der Lochscheibe in die Thyristorscheibe ein. Bei derart gewählten Verhältnissen hat die Lochscheibe nur eine schwach maskierende Wirkung gegen die hochenergetische Elektronenbestrahlung. Um den Bereich des Hilfsthyristors wirksam gegen Elektronen zu schützen, wird der Durchmesser der zweiten Maske (14) ca. 2 mm größer bemessen als der Außendurchmesser des Hilfsemitters. Bei diesem Ausführungsbeispiel und einer Ausgangsfreiwerdezeit von 10 µs ergibt sich eine Erniedrigung der Freiwerdezeit um ca. 30%.

Für den Fall eines durchkontaktierten Thyristors kann die kathodenseitige Druckscheibe vorteilhaft als erste Maske (13) verwendet werden, wobei auch im Hinblick auf die zweite Maske (14) eine gute Justierung gewährleistet ist.

Das Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft bei einem asymmetrischen Thyristor anwenden, bei dem die Hauptbasischicht in eine n-leitende Schicht und eine n-leitende Stoppschicht aufgeteilt ist. Nach derartigen Thyristoren werden sehr niedrige Freiwerdezahlen erzielt.

Claims (7)

1. Thyristor aus einem Hauptthyristor und einem Hilfsthyristor mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps in einer Halbleiterscheibe, einer Hauptemitterzone mit einem Kathodenkontakt, einer zentral zu dem Hauptkathodenkontakt angeordneten Steuerelektrode, einer zwischen der Hauptemitterzone und der Steuerelektrode angeordneten Hilfsemitterzone mit einem Hilfsemitterkontakt, der einen Teil der Hilfsemitterzone und einen Teil der Steuerbasiszone kontaktiert derart, daß ein der Steuerelektrode gegenüberliegender Teil der Hilfsemitterzone nicht kontaktiert ist, und mit einem Kathodenkontakt, wobei der Hilfsthyristor durch die Zonen der Halbleiterscheibe gebildet wird, die innerhalb der Projektion der Hilfsemitterzone auf dem Anodenkontakt liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich des Hilfsthyristors (3) größer als in dem übrigen Bereich der Halbleiterscheibe (1) ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerlebensdauer in dem Hauptthyristor (2) durch Elektronenbestrahlung erniedrigt wird und daß der Bereich des Hilfsthyristors (3) während der Elektronenbestrahlung mit einer Maske abgedeckt ist, welche die Energie der Elektronen auf einen solchen Wert abbremst, daß sie keine Erniedrigung der Lebensdauer mehr bewirken.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptthyristor (2) und ein angenzender Bereich des Hilfsthyristors (3) mit einer ersten Maske (13) abgedeckt ist, welche die Elektronen nur geringfügig abbremst, so daß ihre Energie zur Erniedrigung der Ladungsträgerdauer in der Halbleiterscheibe (1) ausreichend ist, daß der Hilfsthyristor (3) und ein angrenzender Bereich des Hauptthyristors (2) mit einer zweiten Maske (14) abgedeckt ist, welche die Energie der Elektronen vollständig abbremst, und daß die beiden Masken (13, 14) lateral derart zueinander angeordnet sind, daß die in der ersten Maske (13) gestreuten Elektronen diese Maske nur soweit unterstrahlen, daß die Ladungsträgerlebensdauer in der Halbleiterscheibe (1) unterhalb der zweiten Maske (14) nur im Bereich des Hauptthyristors (2) erniedrigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 zur Herstellung eines radialsymmetrisch aufgebauten Thyristors, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maske (13) eine metallische Lochscheibe ist und daß die zweite Maske (14) ein im Querschnitt T-förmiger Stempel mit einem Ansatz ist, der in die Öffnung der Lochscheibe eingreift, und daß der Stempel die Lochscheibe soweit übergreift, daß die in der Lochscheibe gestreuten Elektronen nur im Bereich des Hauptthyristors (2) in die Halbleiterscheibe eindringen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Maske (13) eine Lochscheibe aus Kupfer mit einer Dicke von 1,2 bis 1,5 mm verwendet wird, wobei die Bestrahlung mit einer Elektronenenergie von ca. 10 MEV erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Maske (14) ein Stempel aus Molybdän verwendet wird, der ohne Ansatz eine Dicke von 2 bis 5 mm aufweist und dessen Durchmesser 1,5 bis 3 mm größer als der Durchmesser der Hilfsemitterzone (10) ist, wobei die Bestrahlung mit einer Elektronenenergie von 10 MEV erfolgt.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6 bei einem asymmetrischen Thyristor, dessen Hauptbasiszone (6) in eine n- leitende Schicht und eine n-leitende Stoppschicht aufgeteilt ist.