DE3932490C2 - Thyristor mit großer Sperrfähigkeit in Blockierrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit großer Sperrfähigkeit in Blockierrichtung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3.

Thyristoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind aus dem Buch von W. Gerlach "Thyristoren", erschienen als Band 12 der Buchreihe "Halbleiter-Elektronik", herausgegeben von W. Heywang und R. Müller im Springer-Verlag, Berlin 1979, Seiten 151 bis 159, bekannt. Dort sind insbesondere in den Bildern 4.22 und 4.23 scheibenförmige Thyristoren gezeigt, deren Ränder in den Be­ reichen der in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergänge je­ weils positiv oder negativ abgeschrägt sind. Auf den Seiten 158 und 159 dieser Veröffentlichung sind Thyristoren be­ schrieben, bei denen der in Sperrichtung vorgespannte pn- Übergang planar ausgeführt und durch einen oder mehrere kon­ zentrische Feldbegrenzungsringe ergänzt ist, wobei letztere wie ein Spannungsteiler an der Oberfläche des Thyristors wir­ ken und die Oberflächenfeldstärke soweit herabsetzen, daß ein Oberflächendurchbruch bis zu sehr hohen Sperrvorspannungen des pn-Übergangs vermieden wird.

Aus der US-Patentschrift 4 517 582 ist ein Thyristor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 bekannt, bei dem ein unmittelbar an den p-Emitter angrenzender Teil der n-Basis als eine Stop-Zone mit höherer Dotierungskonzen­ tration ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Thyristoren der eingangs genannten Art anzugeben, deren Sperrfähigkeit in Blockierrichtung durch einfache, an ihrer p-Emitterseite zu treffende strukturelle Maßnahmen erhöht wird. Das wird erfin­ dungsgemäß durch eine Ausbildung gemäß den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 oder 3 erreicht.

Der Patentanspruch 2 ist auf eine bevorzugte Weiterbil­ dung eines Thyristors nach dem Anspruch 1 gerichtet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Thyristors,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 das Dotierungsprofil eines Thyristors nach Fig. 2 im anodenseitigen Bereich.

In Fig. 1 ist ein Thyristor mit einem aus dotiertem Halblei­ termaterial, z. B. Silizium, bestehenden Halbleiterkörper dar­ gestellt. Er weist vier aufeinanderfolgende Schichten abwech­ selnder Leitungstypen auf. Von diesen bezeichnet man die aus den n-leitenden Teilschichten 1 bestehende Schicht als den n-Emitter, die p-leitende Schicht 2 als die p-Basis, die n-lei­ tende Schicht 3 als die n-Basis und die p-leitende Schicht 4 als den p-Emitter. Der p-Emitter ist mit einer anodenseitigen Elektrode 5 aus elektrisch leitendem Material, z. B. Al, ver­ sehen, die einen Anschluß A aufweist. Der n-Emitter ist mit einer kathodenseitigen Elektrode 6 versehen, die die Teil­ schichten 1 kontaktiert und mit einem Anschluß K versehen ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kontaktiert 6 auch die Schicht 2 zur Bildung von Emitterkurzschlüssen. Der Anschluß G einer Gateelektrode GE, die die p-Basis kontaktiert, wird zum Zünden des Thyristors in an sich bekannter Weise mit einem positiven Zündstromimpuls beaufschlagt.

Wird an die Anschlüsse A und K eine in Blockierrichtung gepol­ te Spannung geschaltet, die die Elektrode 5 auf ein positive­ res Potential legt als die Elektrode 6, so wird der pn-Über­ gang 7 zwischen den Schichten 2 und 3 in Sperrichtung vorge­ spannt. Um eine hohe Sperrfähigkeit bzw. Spannungsfestigkeit in Blockierrichtung des Thyristors zu gewährleisten, muß dafür Sorge getragen werden, daß ein oberflächenseitiger Durchbruch des pn-Übergangs 7 erst bei hohen Werten der in Blockierrich­ tung gepolten Spannung eintritt. Zu diesem Zweck wird der Thyristorrand z. B., wie in Fig. 1 dargestellt, von der oberen Hauptfläche 8 ausgehend unter einem positiven Winkel abgeschrägt. Damit wird eine Absenkung der Oberflächenfeld­ stärke im Bereich des in der seitlichen Begrenzungsfläche 9 liegenden Randabschlusses 10 des pn-Übergangs 7 erreicht, durch die die Gefahr des Durchbruchs an dieser Stelle herabgesetzt wird.

Nach der Erfindung wird die laterale Ausdehnung des p-Emitters 4 so bemessen, daß er lediglich innerhalb eines zentralen Be­ reichs LBz des Thyristors angeordnet ist und in diesem eine durchgehende Schicht ohne irgendwelche Ausnehmungen bildet. Dabei ist die anodenseitige Elektrode 5 in lateraler Richtung so bemessen, daß sie den Rand des p-Emitters 4 nicht überragt. Hierdurch wird erreicht, daß der p-Emitter 4 keine Emitterkurz­ schlüsse aufweist, die seinen pn-Übergang zu der n-Basis 3 nie­ derohmig überbrücken. Der Randabschluß 10 des pn-Übergangs 7 ist in einem lateralen Randbereich LBr angeordnet, der außer­ halb des zentralen Bereichs LBz liegt. Die vorstehend genann­ ten strukturellen Maßnahmen haben zur Folge, daß sich der Ver­ stärkungsfaktor α_pnp im wesentlichen nur noch innerhalb von LBz auswirken kann, während er innerhalb von LBr vernachläs­ sigbar ist. Hieraus ergibt sich eine erhöhte Spannungsfestig­ keit bzw. Sperrfähigkeit des Thyristors.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung des in Fig. 1 darge­ stellten Thyristors ist ein unmittelbar an den p-Emitter 4 angrenzender Teil der n-Basis 3 als eine Stop-Zone 11 ausge­ bildet, die n⁺-dotiert ist, also eine höhere Dotierungskon­ zentration aufweist als der übrige Teil der n-Basis 3. In Fig. 1 ist die Stop-Zone 11 durch die gestrichelte Linie 12 gegenüber dem darüberliegenden Teil der n-Basis 3 abgegrenzt. Durch die Stop-Zone 11 wird erreicht, daß sich die am pn- Übergang 7 ausbildende Raumladungszone auch beim Anlegen von sehr hohen Blockierspannungen nicht bis zum pn-Übergang zwischen der n-Basis 3 und dem p-Emitter 4 ausdehnen kann, so daß eine besonders hohe Sperrfähigkeit in Blockierrichtung besteht.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von Fig. 1 zunächst dadurch unterscheidet, daß sich der p-Emitter 4 lateral ganzflächig über den Thyristor er­ streckt und innerhalb beider Bereiche LBz und LBr an die n⁺-dotierte Stop-Zone 11 unmittelbar angrenzt. Hier wird eine Absenkung des Verstärkungsfaktors α_pnp im Randbereich LBr gegenüber dem Verstärkungsfaktor im zentralen Bereich LBz dadurch erreicht, daß die n⁺-Dotierung der Stop-Zone 11 inner­ halb von LBz ein flacheres Dotierungsprofil aufweist als im Randbereich LBr.

Trägt man gemäß Fig. 3 über dem Abstand x eines Punktes der Stop-Zone 11 von der zweiten Hauptfläche 13 die jeweils zuge­ ordnete Dotierungskonzentration N auf, so ergibt sich ein flacheres Dotierungsprofil 14 für den Teil der Stop-Zone 11, der innerhalb von LBz liegt, und ein steileres Dotierungs­ profil 15 für den innerhalb von LBr liegenden Teil 11a, der in Fig. 2 schraffiert dargestellt ist. Als Randkonzentration in der Hauptfläche 13 kommt für das Profil 14 z. B. ein Wert von N = 10¹⁸ cm⁻³ in Betracht, für das Profil 15 etwa ein Wert von 3 . 10¹⁸ cm⁻³. Die maximale Eindringtiefe T der Stop-Zone 11 von z. B. 30 µm entspricht etwa der Linie 12 in Fig. 2. Der mit einem Dotierungsprofil 16 in den Halbleiterkörper eingefügte p-Emitter 4 weist gemäß Fig. 3 in der Hauptfläche 13 eine Randkonzentration von 10¹⁹cm⁻³ auf. Der Schnittpunkt 17 der Profile 14 und 16 bestimmt die Eindringtiefe El des p-Emitters 4 innerhalb von LBz, der Schnittpunkt 18 der Profile 15 und 16 die Eindringtiefe E2 des p-Emitters 4 innerhalb von LBr, die in diesem Beispiel eines von der Hauptfläche 13 her kontinu­ ierlich abfallenden Dotierungsprofils kleiner ist als E1. Infolge der höheren Dotierung der n⁺-Stop-Zone ist die Schnittpunktkonzentration SKr am pn-Übergang zwischen 11a und 4 innerhalb von LBr größer als die Schnittpunktkonzentration SKz am pn-Übergang zwischen 11 und 4 innerhalb von LBz, was die erwünschte Absenkung des Verstärkungsaktors α_pnp und damit die erhöhte Sperrfähigkeit des Thyristors im Randbereich LBr bewirkt.

Wird die Stop-Zone 11a im Randbereich LBr mit einem Dotie­ rungsprofil 19 und einer Randkonzentration von etwa 3 . 10¹⁹ cm⁻³ in den Halbleiterkörper eingefügt, was eine Überkompensation des p-Emitters 4 innerhalb von LBr bedeutet, so ergibt sich eine Thyristorstruktur gemäß Fig. 1, bei der der p-Emitter auf den zentralen Bereich LBz beschränkt ist und der Verstär­ kungsfaktor α_pnp innerhalb des Randbereichs LBr praktisch auf Null reduziert ist.

Claims (3)

1. Thyristor mit großer Sperrfähigkeit in Blockierrichtung, bestehend aus einer Folge von Halbleiterschichten (1-4) al­ ternierender Leitungstypen, die jeweils den n-Emitter, die p-Basis, die n-Basis und den p-Emitter darstellen, wobei der n-Emitter (1) von einer kathodenseitigen (6) und der p-Emitter (4) von einer anodenseitigen Elektrode (5) kontaktiert werden und wobei der pn-Übergang (7) zwischen der p-Basis (2) und der n-Basis (3) bei Zuführung einer Blockierspannung an die Elek­ troden (5, 6) in Sperrichtung vorgespannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die lateralen Abmessungen des p-Emitters (4) so getroffen sind, daß er lediglich inner­ halb eines zentralen Bereichs (LBz) des Thyristors angeordnet ist und in diesem eine durchgehende Schicht bildet, daß die anodenseitige Elektrode (5) in lateraler Richtung so bemessen ist, daß sie den Rand des p-Emitters (4) nicht überragt, und daß der Randabschluß (10) des in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergangs (7) in einem Randbereich (LBr) des Thyristors angeordnet ist, der lateral außerhalb des zentralen Bereichs (LBz) liegt.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein unmittelbar an den p-Emitter (4) angrenzender Teil der n-Basis (3) als eine Stop-Zone (11) mit höherer Dotierungskonzentration ausgebildet ist.

3. Thyristor mit großer Sperrfähigkeit in Blockierrichtung, bestehend aus einer Folge von Halbleiterschichten (1-4) al­ ternierender Leitungstypen, die jeweils den n-Emitter, die p-Basis, die n-Basis und den p-Emitter darstellen, wobei der n-Emitter (1) von einer kathodenseitigen Elektrode (6) und der sich lateral ganz flächig über den Thyristor erstreckende p-Emitter (4) von einer anodenseitigen Elektrode (5) kontak­ tiert werden, wobei der pn-Übergang (7) zwischen der p-Basis (2) und der n-Basis (3) bei Zuführung einer Blockierspannung an die Elektroden (5, 6) in Sperrichtung vorgespannt wird und wobei ein unmittelbar an den p-Emitter (4) angrenzender Teil der n-Basis (3) als eine Stop-Zone (11) mit höherer Dotie­ rungskonzentration ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Randabschluß (10) des in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergangs (7) innerhalb eines Randbereichs (LBr) des Thy­ ristors liegt, der lateral außerhalb eines zentralen Bereichs (LBz) des Thyristors angeordnet ist und daß die n⁺-Dotierung der Stop-Zone (11) innerhalb des zentralen Bereichs (LBz) ein Dotierungsprofil (14) aufweist, das flacher verläuft als das entsprechende Dotierungsprofil (15) der Stop-Zone (11a) im Randbereich (LBr), und zwar derart, daß sich am pn-Übergang zwischen der Stop-Zone (11) und dem p-Emitter (4) innerhalb des zentralen Bereichs (LBz) eine niedrigere Schnittpunktkon­ zentration (SKz) ergibt als die entsprechende Schnittpunkt­ konzentration (SKr) innerhalb des Randbereichs (LBr) des Thy­ ristors, wobei die Schnittpunktkonzentration im zentralen Be­ reich der Dotierungskonzentration entspricht, bei der in einem ersten Abstand (E1) von einer Hauptfläche (13) die Dotierungs­ konzentration (14) der Stopzone im zentralen Bereich gleich der Dotierungskonzentration (16) des p-Emitters (4) ist und wobei die Schnittpunktkonzentration innerhalb des Randberei­ ches der Dotierungskonzentration entspricht, bei der in einem zweiten Abstand (E2) von der Hauptfläche (13) die Dotierungskon­ zentration (15) der Stopzone innerhalb des Randbereiches gleich der Dotierungskonzentration (16) des p-Emitters (4) ist.