DE3932238A1 - Abschaltbarer thyristor mit einem integrierten bipolaren transistor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen abschaltbaren Thyristor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es liegt die Aufgabe zugrunde, in den Halbleiterkörper des Thyristors ein Schaltelement zu integrieren, das zum Zwecke des Abschaltens leitend geschaltet wird und im leitenden Zu­ stand die Steuerbasis mit dem angrenzenden Emitter möglichst niederohmig verbindet, also praktisch kurzschließt. Das wird erfindungsgemäß durch eine Ausbildung des Thyristors nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß der Widerstand des leitend geschalteten bipolaren Transistors extrem klein ist, wobei die Abmessungen seiner leitenden Quer­ schnittsfläche in einfacher Weise durch maskierte photolitho­ graphische Verfahrensschritte festgelegt werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines abschaltbaren Thyristors nach der Erfindung,

Fig. 2 das Design des Thyristors nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie III-III in Fig. 2.

In Fig. 1 (Schnittdarstellung entlang der Linie I-I von Fig. 2) ist ein Halbleiterkörper 1 aus dotiertem Halbleiter­ material, zum Beispiel Silizium, dargestellt, der aus einer n- leitenden Schicht 2, einer p-leitenden Schicht 3, einer n-lei­ tenden Schicht 4 und einer p-leitenden Schicht 5 besteht.

Innerhalb eines lateralen Bereichs LB1 bildet die Schicht 2 den n-Emitter, 3 die p-Basis bzw. Steuerbasis, 4 die an­ grenzende n-Basis und 5 den p-Emitter eines Thyristors, wobei der n-Emitter 2 in der Hauptfläche F1 von einer kathodensei­ tigen Elektrode 6 kontaktiert wird, die einen Anschluß K aufweist. Der p-Emitter 5 wird in der Hauptfläche F2 von einer anodenseitigen Elektrode 7 kontaktiert, die mit einem Anschluß A versehen ist. Der n-Emitter 2 kann innerhalb von LB2 aus zwei übereinanderliegenden Teilschichten bestehen, die durch eine gestrichelt angedeutete Grenzfläche 8 voneinander ge­ trennt sind. Dabei ist die obere Teilschicht höher dotiert als die untere, um einen guten Kontakt zur Elektrode 6 zu erzielen. Andererseits kann 2 aber auch aus einer einzigen Schicht bestehen, die dann jedoch höher dotiert ist als die untere der beiden genannten Teilschichten.

Die die Steuerbasis bzw. p-Basis bildende Schicht 3 stellt in­ nerhalb eines lateralen Bereichs LB2 den Emitter eines bipola­ ren pnp-Transistors T dar, dessen Basis durch den innerhalb von LB2 liegenden Teil der darüberliegenden Schicht 2 gebildet wird. In diese Basis von T ist ein entgegengesetzt zu dieser dotiertes, also p-leitendes Halbleitergebiet 9 eingefügt, das in der Grenzfläche F1 von einer Verlängerung 6a der Elektrode 6 kontaktiert wird. Die Basis von T wird von einer Steuerelek­ trode 10 kontaktiert, die mit einem Anschluß B versehen ist. Die Schicht 2 weist zweckmäßig innerhalb einer durch die ge­ strichelte Linie 11 begrenzten Zone eine erhöhte Dotierungs­ konzentration auf, um einen guten Kontakt zur Steuerelektrode 10 herzustellen.

Der innerhalb von LB1 liegende Teil der Schicht 2 ist von dem innerhalb von LB2 liegenden Teil dieser Schicht durch einen von der Hauptfläche F1 ausgehenden Graben 12 vollständig ge­ trennt. Die Tiefe des Grabens 12 ist so bemessen, daß er sich bis in den oberen Teil der Schicht 3 hinein erstreckt. Das Halbleitergebiet 9 ist innerhalb des in LB2 liegenden Teiles von 2 zweckmäßig so angeordnet, daß es in lateraler Richtung von einer Seitenwand des Grabens 12 begrenzt wird. Der Graben 12 ist mit elektrisch isolierendem Material, zum Beispiel SiO₂ oder Polyimid, aufgefüllt, was in Fig. 1 durch eine doppelte Schraffierung des Grabenquerschnitts angedeutet ist.

In Fig. 2 sind die lateralen Begrenzungen des p-leitenden Halbleitergebiets mit 9, die der höher dotierten, oberen Teil­ schicht des n-Emitters 2 durch eine gestrichelte Linie 8′ und die der höher n-dotierten Zone unterhalb der Steuerelektrode 10 durch die gestrichelte Linie 11 gekennzeichnet. Die katho­ denseitige Elektrode 6 einschließlich ihrer Verlängerung 6a und die Steuerelektrode 10 sind schraffiert dargestellt. Wei­ terhin werden die Seitenwände des Grabens durch ausgezogene Linien 12 versinnbildlicht. Diese auch als Ätzkanten zu be­ zeichnenden Seitenwände setzen sich in horizontalen Ätzkanten 12′ fort, die zusammen mit 12 eine gitterförmige Grabenstruk­ tur bilden. Diese ist mit elektrisch isolierendem Material, zum Beispiel SiO₂ oder Polyimid, aufgefüllt. In einem latera­ len Bereich LB3, dessen vertikale Abmessung in Fig. 2 durch eine linksseitige Klammer angedeutet ist und dessen horizon­ tale Abmessung in Fig. 2 mit der von LB1 übereinstimmt, ist die Schicht 2 vollständig entfernt. Das wird zum Beispiel dadurch erreicht, daß der innerhalb von LB3 liegende Teil der Halbleiterschicht 2 bei der Herstellung der Grabenstruktur 12, 12′ ebenfalls weggeätzt wird. Nachdem die Grabenstruktur 12, 12′ und die durch diese Ätzung entstehende Erweiterung der­ selben mit dem elektrisch isolierenden Material aufgefüllt worden ist, wird in diesem ein Fenster vorgesehen, das in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie 13 lateral begrenzt wird und bis zur Oberfläche der Halbleiterschicht 3 reicht. Die Schicht 3 wird innerhalb von LB3 von einer Gateelektrode GE kontaktiert, die in der nachfolgend beschriebenen Weise mit dem Anschluß eines Zündstromkreises für den Thyristor ver­ bunden ist.

Im einzelnen wird die Verbindung von GE mit dem Anschluß des Zündstromkreises innerhalb eines lateralen Bereichs LB4 her­ gestellt, der gemäß Fig. 2 in der Weise definiert ist, daß seine vertikale Abmessung durch die rechtsseitige Klammer LB4 bestimmt wird und seine horizontale Abmessung der von LB2 entspricht. Dabei wird die Gateelektrode GE soweit nach rechts verlängert, daß sie den in Fig. 2 mit 14 bezeichneten Teil der Halbleiterschicht 2 kontaktiert. In der Schnittdarstellung gemäß Fig. 3 ist dies deutlich erkennbar. Der Teil 14 der Halbleiterschicht 2 ist mit einer entgegengesetzt dotierten Halbleiterzone 15 versehen, die von einer Verlängerung 10a der Steuerelektrode 10 kontaktiert wird. Diese wird dann wie in Fig. 3 angedeutet mit dem Anschluß Z des Zündstromkreises verbunden. In Fig. 3 sind die Schicht 5 und die Hauptelek­ trode 7 des Thyristors aus Gründen einer einfachen Darstellung weggelassen.

Zweckmäßig weist die Schicht 3, die die Steuerbasis des Thyri­ stors und den Emitter des Transistors T darstellt und bei­ spielsweise eine Dotierungskonzentration von 10¹⁶ cm^-3 hat, wenigstens innerhalb des zweiten lateralen Bereichs LB2 an ihrer Grenzfläche zu der Schicht 2, die den n-Emitter des Thyristors und die Basis von T darstellt, eine Zone 16 erhöh­ ter Dotierungskonzentration von 10¹⁹ cm^-3 auf. In dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel ist die Zone 16, wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich, zusätzlich auch innerhalb der lateralen Bereiche LB3 und LB4 vorgesehen und lediglich innerhalb von LB1 weggelassen.

Die Zündung des mit seinen Anschlüssen A und K in einen Last­ stromkreis geschalteten Thyristors, dessen Anschluß A durch eine im Laststromkreis vorhandene Spannungsquelle auf ein höheres Potential gelegt ist als der Anschluß K, erfolgt mittels eines positiven Zündstromimpulses, der über Z und über die aus den Halbleiterteilen 15 und 14 gebildeten Diode zur Gateelektrode GE gelangt. Von dieser wird er der Steuerbasis 3 des Thyristors zugeführt und bewirkt, daß innerhalb von LB1 positive Ladungsträger aus der Steuerbasis 3 zum pn-Übergang zwischen den Schichten 2 und 3 gelangen und eine Emission von negativen Ladungsträgern aus dem n-Emitter hervorrufen. Die letztgenannten Ladungsträger werden zur Grenzfläche zwischen den Schichten 4 und 5 transportiert und bewirken dort eine Emission von positiven Ladungsträgern. Dabei verstärken sich die genannten Emissionsvorgänge und bewirken die Zündung des Thyristors.

Die sich im stromführenden Zustand des Thyristors in der Steuerbasis 3 befindenden freien positiven Ladungsträger dürfen jedoch den Transistor T nicht überschwemmen, da sonst T in den leitenden Zustand geschaltet wird, was eine unerwünsch­ te Abschaltung des Thyristors zur Folge hätte. Die erforder­ liche Abschirmung von T gegenüber diesen freien Ladungsträgern wird durch die Zone 16 bewerkstelligt, die eine höhere Dotie­ rungskonzentration hat als die Schicht 3. Andererseits kann die Abschirmung von T auch durch eine Erhöhung der Dotierungs­ konzentration der gesamten Schicht 3 auf etwa 10¹⁸ cm^-3 er­ reicht werden, ohne daß eine höher dotierte Zone 16 vorgesehen werden muß.

Die Abschaltung des Thyristors erfolgt durch einen über den Anschluß B zugeführten negativen Löschstromimpuls. Dieser be­ wirkt die Leitendschaltung des pnp-Transistors T, über den die in den Schichten 3 und 4 befindlichen freien positiven La­ dungsträger zur Elektrode 6a hin abgesaugt werden, so daß sie keine Emissionen am pn-Übergang zwischen 2 und 3 hervorrufen können.

Durch den sehr kleinen Widerstand des bipolaren Transistors T ist der maximal abschaltbare Laststrom größer als bei einem herkömmlichen MOS-GTO. Bei dem erfindungsgemäßen Thyristor ist weiterhin ein sicheres Abschalten gewährleistet. Der extrem niedrige Widerstand des Transistors T kann durch dessen in lateraler Richtung gemessenen, leitenden Querschnitt bestimmt werden, der bei der Herstellung in einfacher Weise durch die Abmessungen der verwendeten Photomasken festgelegt werden kann. Außerdem kann die Basisweite von T in vorteilhafter Weise durch die Wahl von Diffusionseindringtiefen bestimmt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform des Thyristors nach der Erfindung ist der Transistor T als Phototransistor ausgebil­ det. Hierbei entfallen die Elektrode 10 innerhalb von LB2 sowie die Zone 11 erhöhter Dotierungskonzentration. Statt dessen ist eine in Fig. 1 mit 17 angedeutete, steuerbare Lichtquelle vorgesehen, die mit einem lichtempfindlichen Teil­ bereich der Schicht 2 innerhalb von LB2 in optischem Kontakt steht. Beim Beleuchten dieses Teilbereichs wird T in den leitenden Zustand geschaltet, so daß der Thyristor abgeschal­ tet wird.

In Abweichung von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann anstelle der Verlängerung 6a der Elektrode 6 auch eine eigene Elektrode vorgesehen sein, die das Halbleitergebiet 9 in der Hauptfläche F1 kontaktiert. Hierbei muß allerdings eine elek­ trisch leitende Verbindung zwischen dieser Elektrode und der Elektrode 6 vorgesehen werden. Ebenso kann die Verlängerung 10a der Steuerelektrode 10 durch eine von 10 getrennte Elek­ trode ersetzt werden. Dies ist dann mit dem Anschluß Z zu ver­ binden. Dabei entfällt die Halbleiterzone 15.

Ein stark vereinfachtes Ausführungsbeispiel des Thyristors nach der Erfindung ergibt sich, wenn gemäß Fig. 2 in dem den Graben 12 ausfüllenden Material eine Ausnehmung 18 vorgese­ hen wird und in dieser eine schraffiert eingezeichnete Gate­ elektrode GE′ angeordnet wird, die die Schicht 3 kontaktiert und mit dem Anschluß Z des Zündstromkreises verbunden ist. Hierbei entfallen die lateralen Bereiche LB3 und LB4 ein­ schließlich der diese Bereich kontaktierenden Elektroden GE und 10a.

In den Figuren sind vertikale strichpunktierte Linien S1 und S2 sowie horizontale strichpunktierte Linien S3 und S4 einge­ zeichnet. S1 bis S4 stellen bei dem in Fig. 2 angedeuteten zellenartigen Aufbau des Thyristors, der für einen Einsatz im Leistungshalbleiterbereich vorteilhaft ist, senkrecht zur Bildebene verlaufende Grenzflächen zwischen jeweils benach­ barten Zellen und zugleich auch Symmetrieebenen zwischen diesen Zellen dar. Dabei trennt S1 die Bereiche LB1 und LB3 zweier benachbarter Zellen voneinander, S2 die Bereiche LB2 und LB4 zweier benachbarter Zellen. In analoger Weise trennt die Linie S3 die Bereiche LB1 und LB2 zweier benachbarter Zellen voneinander, S4 die Bereiche LB3 und LB4 von solchen Zellen.

Bei dem oben erwähnten, vereinfachten Ausführungsbeispiel, bei dem die Bereiche LB3 und LB4 eingespart werden, entsteht durch eine Mehrzahl von Symmetrielinien S1 und S2 eine periodische Streifenstruktur, bei der die Bereiche LB1 und LB2 in verti­ kaler Richtung der Fig. 2 jeweils soweit verlängert werden, daß sie sich über die Hauptfläche F1 des ganzen Halbleiter­ körpers erstrecken. Die Teile 6, 6a, 8′, 9 und 10 verlaufen dann streifenförmig in der Darstellung der Fig. 2 jeweils in vertikaler Richtung. Hierbei trennt jede Linie S1 die Bereiche LB1 zweier benachbarter Zellen voneinander, jede Linie S2 die Bereiche LB2 zweier solcher Zellen.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den beschriebenen dadurch, daß sämtliche Halbleitergebiete bzw. -schichten durch solche des entgegengesetzten Leitungs­ typs ersetzt werden, wobei die zugeführten Spannungen bzw. Ströme durch solche des entgegengesetzten Vorzeichens zu ersetzen sind.

Claims (10)

1. Abschaltbarer Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der eine Folge von Halbleiterschichten alternierender Leitungs­ typen aufweist, die innerhalb eines ersten lateralen Bereichs (LB1) jeweils den ersten Emitter (2), der in einer ersten Hauptfläche (F1) von einer ersten Hauptelektrode (6) kon­ taktiert wird, die Steuerbasis (3), die angrenzende Basis (4) und den zweiten Emitter (5), der von einer zweiten Hauptelek­ trode (7) kontaktiert wird, bilden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die Steuerbasis bildende Schicht (3) innerhalb eines zweiten lateralen Bereichs (LB2), der von dem ersten (LB1) durch einen von der ersten Haupt­ fläche (F1) ausgehenden Graben (12) getrennt ist, den Emitter eines bipolaren Transistors (T) darstellt, daß die den ersten Emitter des Thyristors bildende Schicht (2) innerhalb des zweiten lateralen Bereichs (LB2) die Basis des Transistors (T) bildet, daß ein in diese Basis eingefügtes, entgegengesetzt zu dieser dotiertes Halbleitergebiet (9) den Kollektor des Tran­ sistors (T) darstellt und daß dieser Kollektor von einer Elek­ trode (6a) kontaktiert wird, die mit der ersten Hauptelektrode (6) leitend verbunden ist.

2. Abschaltbarer Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben (12) mit elek­ trisch isolierendem Material, insbesondere SiO₂ oder Polyimid, aufgefüllt ist und daß die den Kollektor (9) kontaktierende Elektrode (6a) aus einer Verlängerung der ersten Hauptelek­ trode (6) besteht.

3. Abschaltbarer Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tran­ sistor (T) elektrisch steuerbar ist und seine Basis von einer Steuerelektrode (10) kontaktiert wird.

4. Abschaltbarer Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tran­ sistor (T) als Phototransistor ausgebildet ist und ein lichtempfindlicher Bereich seiner Basis mit einer steuernden Lichtquelle in optischem Kontakt steht.

5. Abschaltbarer Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Steuerbasis des Thyristors und den Emitter des bipolaren Transistors darstellende Schicht (3) an ihrer Grenzfläche zu der den ersten Emitter des Thyristors und die Basis des Transistors (T) darstellenden Schicht (2) innerhalb des zweiten lateralen Bereichs (LB2) mit einer Zone (16) verstärkter Dotierungskonzentration versehen ist.

6. Abschaltbarer Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Emitter des Thyristors und die Basis des bipolaren Transistors bildende Schicht (2) innerhalb eines dritten lateralen Bereichs (LB3) bis auf die die Steuerbasis des Thyristors und den Emitter des bipolaren Transistors bildende Schicht (3) entfernt ist und daß die letztgenannte Schicht (3) in dem dritten lateralen Bereich (LB3) von einer Gateelektrode (GE) kontaktiert wird, die mit dem Anschluß (Z) eines Zünd­ stromkreises verbunden ist.

7. Abschaltbarer Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Emitter des Thyristors und die Basis des bipolaren Transistors bildende Schicht (2) in einem vierten lateralen Bereich (LB4) mit einer entgegengesetzt dotierten Halbleiterzone (15) versehen ist, die von einer weiteren Elektrode (10a) kontaktiert wird, daß die Gateelektrode (GE) so weit verlängert ist, daß sie innerhalb des vierten lateralen Bereichs (LB4) auch diese Schicht (2) kontaktiert und daß die weitere Elektrode (10a) mit dem Anschluß (Z) des Zündstromkreises verbunden ist.

8. Abschaltbarer Thyristor nach den Ansprüchen 1, 3, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wei­ tere Elektrode (10a) aus einer Verlängerung der Steuerelek­ trode (10) des Transistors besteht.

9. Abschaltbarer Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen zellenartigen Aufbau, bei dem die Zellen jeweils erste und zweite laterale Bereiche (LB1, LB2) aufweisen und die Grenzflächen zwischen benachbarten Zellen auch Symmetrieebenen bezüglich dieser benachbarten Zellen darstellen, wobei ein erster Teil der Grenzflächen (S1) die ersten lateralen Bereiche (LB1) und ein zweiter Teil der Grenzflächen (S2) die zweiten lateralen Bereiche (LB2) benachbarter Zellen voneinander trennt.

10. Abschaltbarer Thyristor nach den Ansprüchen 6 und 7, gekennzeichnet durch einen zellenartigen Aufbau, bei dem die Zellen jeweils erste bis vierte laterale Bereiche (LB1 bis LB4) aufweisen und die Grenzflächen zwischen benachbarten Zellen auch Symmetrieebenen bezüglich dieser benachbarten Zellen darstellen, wobei ein erster Teil der Grenzflächen (S1) die ersten und dritten lateralen Bereiche (LB1, LB3) , ein zweiter Teil derselben (2) die zweiten und vierten lateralen Bereiche (LB2, LB4), ein dritter Teil derselben (S3) die ersten und zweiten lateralen Bereiche (LB1, LB2) und ein vierter Teil derselben (S4) die dritten und vierten lateralen Bereiche (LB3, LB4) benachbarter Zellen voneinander trennt.