DE4040751A1

DE4040751A1 - Gto-thyristor

Info

Publication number: DE4040751A1
Application number: DE19904040751
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Voss
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1990-01-10
Filing date: 1990-12-19
Publication date: 1991-07-11

Description

GTO-Thyristoren haben auf der Katodenseite fein strukturierte Emitterelektroden, die gegenüber mechanischen Belastungen empfind lich sind. Sie halten mechanischen Belastungen insbesondere dann schlecht Stand, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient der Kontaktelektrode nicht dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterkörpers entspricht. Sie werden dann durch häufige Lastwechsel, die Temperaturwechsel erzeugen, zerstört. Es ist daher erstrebenswert, eine Kontaktelektrode aus einem Material mit einem dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Siliziums angenäherten Ausdehnungskoeffizienten, z. B. aus Molybdän, mit der Katodenseite fest zu verbinden. Dabei muß die auf der Kato denseite angeordnete Gateelektrode elektrisch gegen die Kontakt elektrode isoliert werden. Zur Isolation wird ein anorganisches oder ein organisches Material, wie z. B. ein Polyimid verwendet. Liegt nun ein Teil der Gateelektrode und der katodenseitigen Basiszone am Rand des Halbleiterkörpers, so kann während der Herstellung die für die Randbehandlung benutzte Ätzlösung in Spalte zwischen der Isolierschicht und dem Halbleiterkörper ein dringen und die elektrischen Eigenschaften des GTO-Thyristors verschlechtern. Eine bis zum Rand tretende Isolation läßt sich vermeiden, indem ein Bereich der Emitterzone am Rand des Halb leiterkörpers angeordnet wird. Daraus ergibt sich aber das Problem, daß der GTO-Thyristor im allgemeinen am Rand schlecht abzuschalten ist.

Ziel der Erfindung ist es daher, einen GTO-Thyristor zu schaf fen, dessen Emitterstrukturen Wechselbelastung gut aushalten, der sich gut abschalten läßt und bei dem an der Randfläche kein Isoliermaterial zur Isolation der Katodenbasiszone gegen die Kontaktelektrode erforderlich ist.

Dieses Ziel wird mit den folgenden Merkmalen erreicht:

a) Einem kegelstumpfförmigen Halbleiterkörper mit einer an die kleinere Hauptfläche angrenzenden Anodenemitterzone, einer Mittelzone, einer Katodenbasiszone, mindestens einer an die größere Hauptfläche angrenzenden Katodenemitterzone und mit mindestens einer Katodenemitterelektrode,
b) die Katodenemitterzone hat einen Bereich, der an den Rand des Halbleiterkörpers stößt,
c) diesem Bereich liegt in Richtung senkrecht zu den Hauptflächen kein Teil der Anodenemitterzone gegenüber,
d) einer katodenseitigen Kontaktelektrode aus einem Metall, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient dem des Halbleiter körpers wenigstens annähernd gleich ist und deren Fläche min destens so groß wie die katodenseitige Hauptfläche ist,
e) die Kontaktelektrode ist mit der Katodenemitterelektrode über mindestens eine Metallschicht stoffschlüssig verbunden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbin dung mit den Fig. 1 und 2 näher erläutert.

In der Fig. 1 ist ein teilweiser Schnitt durch einen Halbleiter körper eines GTO-Thyristors und einer damit fest verbundenen Kon taktelektrode dargestellt. Der Halbleiterkörper hat eine katoden seitige Hauptfläche 1 und eine anodenseitige Hauptfläche 2. Die Hauptfläche 1 ist größer als die Hauptfläche 2. Die Randfläche 3 ist abgeschrägt, so daß der Halbleiterkörper die Form eines Ke gelstumpfs hat. Der Halbleiterkörper enthält eine n-dotierte Mittelzone 4, eine stark p-dotierte Katodenbasiszone und eine sehr stark n-dotierte Katodenemitterzone 6. Letztere kann z. B. die Form von Fingern haben. Ein Bereich 7 von gleicher Dotierungs höhe wie die Katodenemitterzone 6 stößt an den Rand 3 des Halb leiterkörpers. Anodenseitig schließt sich an die Mittelzone 4 eine Anodenemitterzone 8 an. Sie ist stark p-dotiert. Die Katoden emitterzone 6 ist mitsamt dem Bereich 7 von einer Katodenelektro de 10 bedeckt. Auf der anodenseitigen Hauptfläche 2 sitzt eine Anodenelektrode 11, die die Emitterzone 8 kontaktiert.

Auf der Katodenbasiszone 5 sitzt eine Gateelektrode 15, die mit einer Isoliermasse 16 bedeckt ist. An einer für die Verbindung mit einer Gateleitung 17 vorgesehenen Stelle ist die Gateelek trode 15 nicht von der Isoliermasse 16 bedeckt.

Die Katodenelektrode 10 ist mit einer Molybdänronde 18 über eine Metallschicht 19 stoffschlüssig verbunden. Die Kontaktelektrode 18 hat mindestens den gleichen Durchmesser wie die katodensei tige Hauptfläche 1 des Halbleiterkörpers. Zweckmäßigerweise hat die mit dem Halbleiterkörper verbundene Hauptfläche 20 eine kleinere Fläche als die andere Hauptfläche 21, so daß sich eine abgeschrägte Randfläche 22 ergibt. Die Randflächen 22 und 3 gehen zweckmäßigerweise stetig und ohne Knick ineinander über. Dies ergibt fertigungstechnische Vorteile z. B. beim Ätzen der Randkontur. Die Ronde kann jedoch auch zylindrisch ausgebildet oder mit nur einer kurzen Abschrägung versehen sein, wie durch die Linien 23 angedeutet ist. Die Kontaktelektrode hat eine Offnung 24, durch das die Gateleitung 17 hindurch tritt.

Die Abschrägung der Randfläche 3 ist derart gewählt, daß dem Be reich 7 kein Bereich der anodenseitigen Emitterzone 8 gegenüber liegt. Damit verhält sich der Thyristor am Rand wie ein Tran sistor mit schlechter Verstärkung und eine schwer abschaltbare parasitäre Thyristorstruktur wird am Rand vermieden. Die Metall schicht 19 geht bis an den Rand 3 des Halbleiterkörpers und schließt die Kontakte und die Isolierschichten hermetisch nach außen ab. Die für die Randbehandlung erforderliche Ätzlösung kommt nicht mit den inneren Kontakten in Berührung.

Es kann zweckmäßig sein, die Kontaktelektrode 18 mit dem Halb leiterkörper über eine bei niedriger Temperatur aufzubringende Metallschicht 19 zu verbinden. Solche Metallschichten und Her stellverfahren hierzu sind beispielsweise in der DE-36 44 044 A1 beschrieben worden. Das Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß eine gesinterte Metallfolie zwischen die katodenseitige Hauptfläche 1 und die Kontaktelektrode 18 gelegt wird. Die Anord nung wird dann z. B. auf 200°C aufgeheizt und unter einem Druck von 30 N/cm² zusammengedrückt. Damit ergibt sich eine einwandfreie elektrisch und thermisch leitende mechanische Verbindung zwischen der Kontaktelektrode 18 und der Katodenelektrode 10.

Anstelle der Verbindung durch eine durchgehende Metallschicht, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, kann die Emitterelek troden 10 mit der Kontaktelektrode 18 auch über Lotschichten 9 verbunden werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Lötverfahren zum Her stellen solcher der feinen Struktur der Emitterelektroden 10 an gepaßten Lotschichten sind bekannt. Die Isolierung durch die Isoliermasse kann hier im Prinzip entfallen.

Die Anodenemitterzone 8 kann, anders als in den Darstellungen nach Fig. 1 und 2, mit Anodenkurzschlüssen versehen sein. Das Sperrverhalten solcher GTO-Thyristoren ist asymmetrisch, während es bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 im wesentlichen symmetrisch ist.

Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels beschrie ben, bei dem eine einzige Katodenemitterzone und eine einzige von Katodenelektrode 10 verwendet sind. Es ist jedoch auch mög lich, die Emitterzone und die Katodenelektrode in viele Teile aufzuteilen und z. B. als schmale streifenförmige Inseln auszu gestalten. Die beschriebenen Vorteile und Eigenschaften gelten auch für eine solche Struktur.

Claims

1. GTO-Thyristor mit den Merkmalen:

a) Einem kegelstumpfförmigen Halbleiterkörper mit einer an die kleinere Hauptfläche (2) angrenzenden Anodenemitterzone (8), einer Mittelzone (4), einer Katodenbasiszone (5), mindestens einer an die größere Hauptfläche (1) angrenzenden Katoden emitterzone (6) und mit mindestens einer Katodenemitterelek trode (10),
b) die Katodenemitterzone (6) hat einen Bereich (7), der an den Rand (3) des Halbleiterkörpers stößt,
c) diesem Bereich (7) liegt in Richtung senkrecht zu den Haupt flächen (1, 2) kein Teil der Anodenemitterzone (8) gegenüber,
d) einer katodenseitigen Kontaktelektrode (18) aus einem Metall, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient dem des Halbleiter körpers wenigstens annähernd gleich ist und deren Fläche min destens so groß wie die katodenseitige Hauptfläche ist,
e) die Kontaktelektrode ist mit der Katodenemitterelektrode über mindestens eine Metallschicht (9, 19) stoffschlüssig ver bunden.

2. GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Randfläche (22) der Kontaktelektrode (18) abge schrägt ist derart, daß ihre mit der katodenseitigen Hauptfläche (1) verbundene Fläche (20) kleiner als ihre andere Fläche (21) ist.

3. GTO-Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rand fläche (22) der Kontaktelektrode die gleiche Neigung wie der Rand (3) des Halbleiterkörpers hat und daß beide Randflächen ohne Knick stetig ineinander übergehen.

4. GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katoden basiszone (5) mit mindestens einer Gateelektrode (10) versehen ist, daß die Gateelektrode bis auf eine zum Anschluß bestimmte Fläche mit einer Isolierschicht (16) bedeckt ist und daß die Metallschicht (19) die gesamte katodenseitige Hauptfläche mit Ausnahme der genannten Fläche bedeckt.

5. GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katoden elektrode (10) mit der Kontaktelektrode (18) über eine Lotschicht (9) verbunden ist.