DE4135412A1

DE4135412A1 - MOS-controlled thyristor with emitter surface loss compensation - has auxiliary emitter regions in base layer under gate electrode between individual thyristor cells or groups

Info

Publication number: DE4135412A1
Application number: DE19914135412
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dr Bauer
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-10-26
Filing date: 1991-10-26
Publication date: 1993-04-29

Abstract

The MCT has spaces (12) left between individual MOS-controlled cells (MC) or clusters to compensate for losses at the emitter surface by virtue of the arrangement of auxiliary emitter regions (13) on the cathode side. These are heavily n-doped and let into the second base layer (8) without being connected to the cathode contact (2). This base layer (8) extends to the cathode surface between the auxiliary emitter region (13) and the cell (MC), covered by the gate electrode (4). USE/ADVANTAGE - For motor speed control etc. The switch-off current density of multiple cells with substantial surface area is maintained without significant degradation of breakthrough characteristics.

Description

Technical field

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft einen MOS-gesteuerten Thyristor MCT, umfassendThe present invention relates to the field of Power electronics. It concerns a MOS-controlled Thyristor MCT, comprehensive

(a) a semiconductor substrate with two opposite Main surfaces, one of which is assigned to an anode and the other is assigned to a cathode and forms a cathode surface;
(b) within the semiconductor substrate between the anode and the cathode has a layer sequence with an emit layer of a first conductivity type, one first base layer from a second, the first opposite conductivity type, and one two th base layer of the first conductivity type;
(c) within the semiconductor substrate between the anode and the cathode a variety of side by side ordered and parallel MCT cells;
(d) inside each MCT cell on the cathode side Emitterge embedded in the second base layer offers of the second conductivity type, which of the Cathode surface forth by a cathode contact is clocked; and
(e) one within each MCT cell on the cathode side MOS structure with an iso over the cathode surface arranged gate electrode, which MOS structure a switchable short circuit between the two forms the base layer and the cathode contact;

Ein solcher MCT ist z. B. aus dem Artikel von V. A. K. Temple, IEEE Trans. Electron Devices, Vo. ED-33, S. 1609- 1618 (1986), bekannt.Such an MCT is e.g. B. from the article by V. A. K. Temple, IEEE Trans. Electron Devices, Vo. ED-33, p. 1609- 1618 (1986).

State of the art

Bei der Anwendung in leistungselektronischen Schaltungen, insbesondere bei drehzahlgesteuerten Motorantrieben, wä ren wichtige Systemvereinfachungen durchführbar, wenn bei den verwendeten Leistungshalbleitern die Stromsteuerung, wie man sie derzeit vom GTO her kennt, durch eine Span nungssteuerung ersetzt werden könnte. Dieser Übergang von Strom- zu Spannungssteuerung ist bei kleineren Lei stungen mit dem Ersatz der herkömmlichen Bipolartransi storen durch die neu entwickelten IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) bereits vollzogen worden.When used in power electronics circuits, especially with speed-controlled motor drives, wä important system simplifications can be implemented if at current control for the power semiconductors used, as currently known from the GTO, through a chip control could be replaced. This transition from current to voltage control is with smaller lei with the replacement of the conventional bipolar transi interfere with the newly developed IGBTs (Insulated Gate Bipolar transistors) have already been completed.

Bei größeren Leistungen, die im wesentlichen den Thyri storen vorbehalten bleiben, sind seit längerer Zeit Be mühungen im Gange, durch die Entwicklung des spannungsge steuerten MCT (MOS Controlled Thyristor) den GTO in ent sprechender Weise abzulösen. Bisher sind diese Bemühungen jedoch nicht sehr erfolgreich verlaufen, weil großflä chige MCTs nach wie vor unter abträglichen inhomogenen Stromverteilungen - insbesondere während der Abschalt phase - leiden.For larger performances, essentially the Thyri are reserved for a long time efforts underway through the development of the tension MCT (MOS Controlled Thyristor) controlled the GTO in ent to replace speaking. So far, these efforts not very successful because of large areas Other MCTs are still under adverse inhomogeneous Power distributions - especially during shutdown phase - suffering.

Dieses Phänomen reduziert bereits für Bauelemente mit Ka thodenflächen von nur einem mm² die abschaltbaren Strom dichten auf sehr niedrige Werte von etwa 50 A/cm². Im Ge gensatz dazu beobachtet man für Anordnungen von nur weni gen Zellen - ein großflächiger MCT besteht immer aus ei ner Vielzahl von einzelnen, kleinen MCT-Zellen; die Ka thodenfläche beträgt dann nur etwa 0,01 mm² - exzellente Abschaltstromdichten von mehreren 1000 A/cm².For components with a cathode area of just one mm ^2, this phenomenon reduces the current densities that can be switched off to very low values of around 50 A / cm ² . In contrast, one observes for arrangements of only a few cells - a large-area MCT always consists of a large number of individual, small MCT cells; the cathode area is then only about 0.01 mm ² - excellent switch-off current densities of several 1000 A / cm ² .

In der älteren Deutschen Patentanmeldung P 41 27 033.9 vom 16.08.91 ist zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen worden, entweder die einzelnen MCT-Zellen durch nichte mittierende Zwischenräume von der gleichen linearen Di mension wie die MCT-Zelle voneinander zu trennen, oder die MCT-Zellen zunächst zu dicht-gepackten Zellenclustern bestimmter Größe zusammenzufassen, und dann die Zellencluster durch derartige nichtemittierende Zwischen räume zu trennen.In the older German patent application P 41 27 033.9 of August 16, 1991 is proposed to solve this problem been either the individual MCT cells by none centering spaces of the same linear Di mension like separating the MCT cell, or the MCT cells initially form densely packed cell clusters certain size, and then summarize the Cell clusters through such non-emissive intermediates to separate rooms.

Der Nachteil dieser Lösungen liegt jedoch darin, daß mit den nichtemittierenden Zwischenräumen die zur Verfügung stehende Emitterfläche stark verringert und damit der ON- Widerstand des Bauelements vergrößert wird.The disadvantage of these solutions, however, is that with the non-emitting gaps standing emitter area is greatly reduced and thus the ON Resistance of the component is increased.

Presentation of the invention

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen MCT zu schaffen, bei dem die hohe Abschaltstromdichte der ein zelnen MCT-Zelle auch bei großflächigen Bauelementen mit einer Vielzahl von MCT-Zellen weitgehend erhalten bleibt, ohne das Durchlaßverhalten wesentlich zu verschlechtern.It is therefore the object of the invention to provide an MCT create where the high cut-off current density of the one individual MCT cell even with large components a large number of MCT cells are largely preserved, without significantly deteriorating the transmission behavior.

Die Aufgabe wird bei einem MCT der eingangs genannten Art gemäß einer ersten Alternative dadurch gelöst, daßThe task is carried out with an MCT of the type mentioned solved according to a first alternative in that

(f) the individual MCT cells from each other by intermediate spaces are separated, in which the second base layer occurs on the cathode surface;
(g) the lateral, linear dimensions of the intermediate rooms of at least the same size are, like the lateral, linear dimensions of the single MCT cell itself;
(h) in the spaces from the cathode surface adequate auxiliary emitter areas from the second guideline ability type embedded in the second base layer are which auxiliary emitter areas are neighboring from the th MCT cells through the to the cathode surface the second base layer are separated; and
(i) the gate electrode there to the cathode surface emerging second base layer covers.

Gemäß einer zweiten Alternative wird die Aufgabe dadurch gelöst, daßAccording to a second alternative, the task becomes solved that

(f) all MCT cells in a plurality of MCT cells Clusters are grouped together;
(g) each MCT cell cluster from a few MCT cells (MC) is formed, which is in direct contact with one another Neighborhood are arranged;
(h) the MCT cell clusters from each other by intermediate spaces are separated, in which the second base layer occurs on the cathode surface;
(i) the lateral, linear dimensions of the intermediate at least of the same order of magnitude are, like the lateral, linear dimensions of the single MCT cell itself; and
(k) in the spaces from the cathode surface adequate auxiliary emitter areas from the second guideline ability type embedded in the second base layer are which auxiliary emitter areas are neighboring from the th MCT cell clusters through to the cathodes surface treading second base layer are separated; and
(l) the gate electrode there on the cathode surface emerging second base layer covers.

Der Kern der Erfindung besteht in beiden Fällen darin, entweder die einzelnen MCT-Zellen oder kleine Cluster von mehreren MCT-Zellen durch die Einführung von Zwischenräu men mit zusätzlichen Hilfsemittergebieten so weit vonein ander zu entkoppeln, daß die volle Abschaltfähigkeit der einzelnen Zelle auch bei einer Vielzahl von in einem Sub strat untergebrachten Zellen erhalten bleibt. Die Hilfse mittergebiete verhindern dabei durch ihre zusätzliche Emissionsfähigkeit weitgehend einen Verlust an Emitter fläche in den Zwischenräumen.The essence of the invention in both cases is either the individual MCT cells or small clusters of several MCT cells through the introduction of spaces men with additional auxiliary emitter areas so far apart decoupling others that the full shutdown capability of the single cell even with a multitude of in a sub Strat housed cells is preserved. The aid middle areas prevent this with their additional Emission ability largely a loss of emitter area in the spaces.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Er findung ist in den Zwischenräumen jeweils ein einziges, zusammenhängendes Hilfsemittergebiet angeordnet. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch ihren besonders ein fachen Aufbau aus.According to a first preferred embodiment of the Er is a single one in the gaps, contiguous auxiliary emitter area arranged. These Embodiment is characterized by its special fold out structure.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Er findung sind in den Zwischenräumen jeweils mehrere nicht zusammenhängende und voneinander beabstandete Hilfsemit tergebiete angeordnet, zwischen denen die zweite Basis schicht an die Kathodenfläche tritt. Durch ein solches Aufteilen der Hilfsemittergebiete kann vorteilhafterweise Platz für die Integration weiterer Funktionen wie z. B. von Einschaltzellen gewonnen werden.According to a second preferred embodiment of the Er there are not several in the gaps coherent and spaced-apart auxiliary elements ter areas arranged between which the second base layer occurs on the cathode surface. Through one The auxiliary emitter regions can advantageously be divided Space for the integration of additional functions such as B. be obtained from switch-on cells.

Dies führt insbesondere zu der Ausführungsform, bei wel cherThis leads in particular to the embodiment in which cher

(a) one after the other between the auxiliary emitter areas second base layer and the first base layer kick the cathode surface; and
(b) the gate electrode also between the auxiliary elements second regions coming to the cathode surface Base layer covers and together with this, the adjacent first base layer, and the adjacent the auxiliary emitter regions a MOS structure for on switch the thyristor forms.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Un teransprüchen.Further exemplary embodiments result from the Un claims.

Brief description of the drawing

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenThe invention is intended below with reference to exemplary embodiments play explained in connection with the drawing will. Show it

Fig. 1A-D verschiedene Kathoden-Konfigurationen und der innere Aufbau einer Einheitszelle eines MCT gemäß der älteren Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 41 27 033.9; FIG. 1A-D different cathode configurations and the inner structure of a unit cell of an MCT according to the earlier German patent application with the file reference P 41 27 033.9;

Fig. 2 in einem Diagramm den maximal abschaltbaren Anodenstrom I_A in Abhängigkeit von der Gatespan nung V_g für Teststrukturen mit Matrixanordnun gen (gemäß Fig. 1A) von 3 × 3, 6 × 6, 10 × 10, 12 × 12, 15 × 15 und 20 × 20 gleichartigen, quadratischen MCT-Zellen (Zellenbreite a = 15 µm) mit unterschiedlichem Zellenabstand b von 15 µm bis 100 µm; Fig. 2 in a diagram, the maximum anode current I _{A that can be switched off} as a function of the gate voltage V _g for test structures with matrix arrangements (according to FIG. 1A) of 3 × 3, 6 × 6, 10 × 10, 12 × 12, 15 × 15 and 20 × 20 similar, square MCT cells (cell width a = 15 µm) with different cell spacing b from 15 µm to 100 µm;

Fig. 3 in einem Diagramm den aus Fig. 2 abgeleiteten Reduktionsfaktor r in Abhängigkeit vom Zellen abstand b der einzelnen MCT-Zellen; . Fig. 3 is a diagram showing the reduction factor derived from Figure 2 r depending on the cell pitch b of the individual MCT cells;

Fig. 4 in einem Diagramm die statischen Vorwärtskenn linien I_A=f(V_f), V_f = Vorwärtsspannung, für die Teststrukturen aus Fig. 2; Fig. 4 lines in a diagram the static forward characteristic I _A = f (V _f) V _f = forward voltage for the test structures of Fig. 2;

Fig. 5 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Vor wärtsspannung V_f vom Zellenabstand b; Fig. 5 is a diagram showing the dependence of the _f by the cell distance b before Windwärts voltage V;

Fig. 6 ein erstes Ausführungsbeispiel eines MCT nach der Erfindung mit einem einfach zusammen hängenden Hilfsemittergebiet im Zwischenraum zwischen den MCT-Zellen; Fig. 6 shows a first embodiment of an MCT according to the invention with a simply connected auxiliary emitter region in the intermediate space between the MCT cells;

Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel eines MCT nach der Erfindung mit einem in mehrere Teilgebiete aufgeteilten Hilfsemittergebiet im Zwischenraum zwischen den MCT-Zellen; Fig. 7 shows a second embodiment of an MCT according to the invention with a split into a plurality of areas auxiliary emitter region in the intermediate space between the MCT cells;

Fig. 8 ein aus Fig. 7 weiterentwickeltes Ausführungs beispiel, bei welchem innerhalb der Hilfsemit tergebiete eine Einschaltzelle integriert ist; Fig. 8 is a further developed from Figure 7 embodiment, in which a switch-on cell is integrated within the auxiliary areas;

Fig. 9 ein mit Fig. 6 vergleichbares Ausführungsbei spiel, bei welchem zur Verringerung der Kapazi tät im Ansteuerkreis die Gateelektrodenfläche reduziert ist; Fig. 9 is a game comparable to Fig. 6, in which the gate electrode area is reduced to reduce the capacitance in the drive circuit;

Fig. 10 ein mit Fig. 6 vergleichbares Ausführungsbei spiel, bei welchem zusätzlich auf der Anoden seite Anodenkurzschlüsse vorgesehen sind; Fig. 10 a game comparable to Fig. 6, in which anode short-circuits are additionally provided on the anode side;

Fig. 11 ein mit Fig. 6 vergleichbares Ausführungsbei spiel, bei welchem die Gateelektroden mit einer eigenen Gatemetallisierung versehen und die Hilfsemittergebiete direkt unterhalb dieser Gatemetallisierung angeordnet sind; Fig. 11 a game comparable to Fig. 6, in which the gate electrodes are provided with their own gate metalization and the auxiliary emitter regions are arranged directly below this gate metalization;

Fig. 12 ein mit Fig. 6 vergleichbares Ausführungsbei spiel mit integrierter PIN-Diode im Zwischen raum; Fig. 12 a game comparable to Fig. 6 with integrated PIN diode in the space;

Fig. 13A ein Ausführungsbeispiel des Bauelements nach der Erfindung mit streifenförmigem Hilfsemit tergebiet und quadratischen MCT-Zellen; und FIG. 13A tergebiet an embodiment of the device according to the invention having a stripe Hilfsemit and square MCT cells; and

Fig. 13B ein Ausführungsbeispiel des Bauelements nach der Erfindung mit streifenförmigem Hilfsemit tergebiet und streifenförmigen MCT-Zellen. FIG. 13B tergebiet an embodiment of the device according to the invention having a stripe Hilfsemit and strip-shaped MCT cells.

Ways of Carrying Out the Invention

In der bereits erwähnten älteren Deutschen Patentanmel dung mit Aktenzeichen P 41 27 033.9 desselben Erfinders sind bereits experimentelle Ergebnisse beschrieben wor den, die einerseits das Skalierungsproblem bei zellulär aufgebauten MCTs, d. h. die Degradation der Abschaltfähig keit mit zunehmender Größe der aktiven Bauelement-Flä che, deutlich machen, und andererseits auf Lösungsmög lichkeiten hinweisen. Die dort beschriebene Lösung beruht darauf, die einzelnen MCT-Zellen (MC in Fig. 1A, 1B und 1C) nicht - wie bei Leistungs-DMOSFETs und IGBTs üblich - mit maximaler Dichte anzuordnen, sondern zwischen den einzelnen MCT-Zellen oder kleineren MCT-Zellen-Clustern (MCC in Fig. 1C) einen recht großen Zellenabstand b in Form eines nichtemittierenden Zwischenraum 12 vorzusehen.Experimental results have already been described in the previously mentioned older German patent application with file number P 41 27 033.9 from the same inventor, which on the one hand clearly shows the scaling problem with cellular MCTs, ie the degradation of the switch-off capability with increasing size of the active component area make, and on the other hand point to possible solutions. The solution described there is based on not arranging the individual MCT cells (MC in FIGS. 1A, 1B and 1C) with maximum density, as is customary for power DMOSFETs and IGBTs, but between the individual MCT cells or smaller MCT cells. Cell clusters (MCC in Fig. 1C) to provide a fairly large cell spacing b in the form of a non-emitting gap 12 .

Die MCT-Zellen MC haben dabei eine Zellenbreite a und sind vorzugsweise entweder quadratisch (Fig. 1A) oder streifenförmig (Fig. 1B). Die einzelne Zelle hat bei spielsweise den in Fig. 1D gezeigten inneren Aufbau, bei welchem in einem Halbleitersubstrat 1 zwischen einer An ode A und einer Kathode K eine p⁺-dotierte Emitterschicht 10, eine n⁻-dotierte erste Basisschicht 9, eine p-do tierte zweite Basisschicht 8 und ein n⁺-dotiertes Emit tergebiet 7 angeordnet ist. The MCT cells MC have a cell width a and are preferably either square ( FIG. 1A) or strip-shaped ( FIG. 1B). The individual cell has, for example, the internal structure shown in FIG. 1D, in which, in a semiconductor substrate 1 between an anode A and a cathode K, a p⁺-doped emitter layer 10 , an n⁻-doped first base layer 9 , a p- doped second base layer 8 and an n⁺-doped emitter region 7 is arranged.

In das Emittergebiet 7 sind seitlich n-dotierte Kanalge biete 6, und in die Kanalgebiete 6 von der Kathodenfläche her p⁺-dotierte Kathodenkurzschlußgebiete 5 eingelassen. Über den Kanalgebieten 6 ist jeweils eine Gateelektrode 4 angeordnet, die vom Halbleitersubstrat 1 durch eine Gateisolierung 3 isoliert ist. Die Schichten 8, 9 und 10 sowie das Gebiet 7 bilden zusammen mit einem entsprechen den Kathodenkontakt 2 und Anodenkontakt 11 eine herkömm liche Vierschicht-Thyristorstruktur. Die Gebiete 5 und 6 sowie die Schicht 8 und die Gatelektrode 4 stellen einen MOS-gesteuerten Kurzschluß dar, mit dessen Hilfe der re generative Mechanismus des Thyristors unterbrochen werden kann.In the emitter region 7 are laterally n-doped Kanalge areas 6 , and in the channel regions 6 p Kath-doped cathode short-circuit regions 5 from the cathode surface. A gate electrode 4 is arranged above the channel regions 6 and is insulated from the semiconductor substrate 1 by a gate insulation 3 . The layers 8 , 9 and 10 and the region 7 together with a corresponding to the cathode contact 2 and anode contact 11 form a conventional four-layer thyristor structure. The areas 5 and 6 and the layer 8 and the gate electrode 4 represent a MOS-controlled short circuit, by means of which the regenerative mechanism of the thyristor can be interrupted.

Die in der älteren Anmeldung vorgeschlagene Vereinzelung der MCT-Zellen MC bzw. MCT-Zellen-Cluster MCC beruht auf den in Fig. 2 und 3 dargestellten experimentellen Ergeb nissen: Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des maximal abschaltbaren Anodenstroms I_A von der Gate spannung V_g. Als Parameter dient dabei der Zellenabstand b. Verglichen werden die Kurven für Anordnungen von MCT- Zellen gemäß Fig. 1A in einer Matrix mit (20 × 20) Zel len (b = 15 µm), einer Matrix mit (15 x 15) Zellen (b = 20 µm), einer Matrix mit (12 × 12) Zellen (b= 25 µm), ei ner Matrix mit (10 × 10) Zellen (b = µm), einer Matrix mit (5 × 5) Zellen (b = 50 µm), und einer Matrix mit (3 × 3) Zellen (b = 100 µm).The separation of the MCT cells MC or MCT cell cluster MCC proposed in the earlier application is based on the experimental results shown in FIGS . 2 and 3: FIG. 2 shows in a diagram the dependence of the maximum anode current I _{A that can be switched} off the gate voltage V _g . The cell spacing b serves as a parameter. The curves for arrangements of MCT cells according to FIG. 1A are compared in a matrix with (20 × 20) cells (b = 15 μm), a matrix with (15 × 15) cells (b = 20 μm), and a matrix with (12 × 12) cells (b = 25 µm), a matrix with (10 × 10) cells (b = µm), a matrix with (5 × 5) cells (b = 50 µm), and a matrix with (3 × 3) cells (b = 100 µm).

Führt man zur Auswertung dieser Ergebnisse einen auf eine Zelle normierten Reduktionsfaktor r ein, der angibt, in welchem Verhältnis die Abschaltfähigkeit einer MCT-Zelle einer Mehrzellenanordnung zur Abschaltfähigkeit einer isolierten einzelnen MCT-Zelle steht, ergibt sich der in Fig. 3 dargestellte Zusammenhang zwischen dem Reduktions faktor r und dem Zellenabstand b für zwei unterschiedli che Implantationsdosen (durchgezogen und gestrichelt) bei der Einbringung der Kanalgebiete 6. Fig. 3 verdeutlicht, daß bei Zellenabständen b ab etwa 50 µm die Leistungsfä higkeit der isolierten Einzelzelle erreicht wird.If, for the evaluation of these results, a reduction factor r normalized to a cell is introduced, which indicates the relationship between the shutdown capability of an MCT cell of a multi-cell arrangement and the shutdown capability of an isolated individual MCT cell, the relationship shown in FIG. 3 results Reduction factor r and the cell spacing b for two different implantation doses (solid and dashed lines) when introducing the channel regions 6 . Fig. 3 illustrates that the performance of the isolated single cell is achieved at cell spacing b from about 50 microns.

Da in diesem Fall die Zwischenräume 12 zwischen den ein zelnen MCT-Zellen MC nichtemittierend ausgebildet sind, führt dies dazu, daß die zur Verfügung stehende katho denseitige Emitterfläche der Emittergebiete 7 im Verhält nis zur Gesamtfläche sehr klein wird und aus diesem Grund mit einer Vergrößerung des ON-Widerstandes gerechnet werden muß: In Fig. 4 sind die statischen Vorwärtskenn linien (Anodenstrom I_A über der Vorwärtsspannung V_f) für die Teststrukturen aus Fig. 2 wiedergegeben (100 mA ent sprechen einer Kathodenstromdichte von 110 A/cm²). Es wird klar, daß insbesondere bei Zellenabständen b von 100 µm die Vorwärtsspannung V_f um mehr als 0,5 V größer ist, als der entsprechende Wert für die dichtgepackten Strukturen. Dies zeigt auch die Fig. 5, in der die ent sprechende Abhängigkeit der Vorwärtsspannung V_f vom Zel lenabstand b bei I_A = 100 mA für die beiden bereits er wähnten Implantationsdosen aufgetragen ist.Since in this case the spaces 12 between the individual MCT cells MC are non-emitting, this leads to the fact that the available cathode-side emitter area of the emitter regions 7 becomes very small in relation to the total area and for this reason with an increase in ON resistance must be calculated: In Fig. 4, the static forward characteristics (anode current I _A over the forward voltage V _f ) for the test structures of Fig. 2 are shown (100 mA correspond to a cathode current density of 110 A / cm ² ). It becomes clear that the forward voltage V _f is more than 0.5 V greater than the corresponding value for the densely packed structures, in particular at cell spacings b of 100 μm. This is also shown in FIG. 5, in which the corresponding dependence of the forward voltage V _f on the cell spacing b at I _A = 100 mA is plotted for the two implantation doses already mentioned.

Diese Erhöhung des ON-Widerstandes zieht natürlich dra stisch erhöhte statische Verluste nach sich. Desweiteren kann dieser Umstand auch Probleme im Hinblick auf die er forderliche Kurzschlußstromfestigkeit aufwerfen. Zur Lö sung dieser Probleme wird nun vorgeschlagen, in den Zwi schenräumen 12 zwischen den einzelnen MCT-Zellen katho denseitig einen Hilfsemitter anzuordnen, der nur im ein geschalteten Zustand eine Emitterfunktion ausübt, während des Abschaltvorgangs und der Blockierphase dagegen passiv ist.This increase in ON resistance naturally entails drastically increased static losses. Furthermore, this fact can also pose problems with regard to the required short-circuit current strength. To solve these problems, it is now proposed to arrange an auxiliary emitter in the inter mediate spaces 12 between the individual MCT cells, which only performs an emitter function in the switched state, but is passive during the switch-off process and the blocking phase.

Ein erstes, besonders einfaches Ausführungsbeispiel für ein solches Bauelement nach der Erfindung ist in Fig. 6 wiedergegeben: Zwischen benachbarten MCT-Zellen MC, die gemäß Fig. 1A und 1B entweder quadratisch oder streifen förmig sein, oder gemäß Fig. 1C jeweils zu einem MCT- Zellen-Cluster MCC gehören können, ist im Zwischenraum 12 von der Kathodenfläche her ein n⁺-dotiertes, mit dem Ka thodenkontakt nicht in Verbindung stehendes Hilfsemitter gebiet 13 in die zweite Basisschicht 8 eingelassen. Zwi schen dem Hilfsemittergebiet 13 und den MCT-Zellen MC tritt die zweite Basisschicht 8 an die Kathodenfläche und wird dort von der Gateelektrode 4 überdeckt. Das Bauele ment insgesamt ist dabei als MOS-gesteuerter Thyristor, z. B. in der Form einer MCT-IGBT-Kombination gemäß der EP-Al-03 40 445, angenommen.A first, particularly simple exemplary embodiment of such a component according to the invention is shown in FIG. 6: Between adjacent MCT cells MC, which according to FIGS. 1A and 1B are either square or strip-shaped, or according to FIG. 1C, each to form an MCT - Cell cluster MCC can belong, an n⁺-doped, with the cathode contact not connected auxiliary emitter area 13 is embedded in the second base layer 8 in the space 12 from the cathode surface. Between the auxiliary emitter region 13 and the MCT cells MC, the second base layer 8 comes to the cathode surface and is covered there by the gate electrode 4 . The overall construction element is a MOS-controlled thyristor, e.g. B. in the form of an MCT-IGBT combination according to EP-Al-03 40 445 accepted.

Zum Einschalten des Bauelements wird ein gegenüber dem Kathodenpotential positives Signal an die Gateelektrode 4 (das MOS-Gate) gelegt. Hierdurch entstehen n-leitende In versionskanäle an der Oberfläche der zweiten Basisschicht 8, welche Kanäle die Emittergebiete 7 der MCT-Zellen MC mit dem Hilfsemittergebiet 13 leitend verbinden. Ist der Serienwiderstand der Inversionskanäle hinreichend klein, so trägt der Hilfsemitter nennenswert zur Emission bei. Beim Abschalten mit negativem Gatepotential verschwinden die n-Kanäle; der Hilfsemitter ist abgekoppelt und damit passiv. Das Abschalten des Bauelements wird allein von den konventionellen MCT-Zellen MC bewältigt.To switch on the component, a signal which is positive with respect to the cathode potential is applied to the gate electrode 4 (the MOS gate). This creates n-type inversion channels on the surface of the second base layer 8 , which channels conductively connect the emitter regions 7 of the MCT cells MC to the auxiliary emitter region 13 . If the series resistance of the inversion channels is sufficiently small, the auxiliary emitter contributes significantly to the emission. When switching off with a negative gate potential, the n-channels disappear; the auxiliary emitter is decoupled and therefore passive. The conventional MCT cells MC alone can switch off the component.

Neben dem einfachen Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind in den folgenden Figuren weitere mögliche und vorteil hafte Ausführungsbeispiele dargestellt: So ist es nicht notwendig, das gesamte Gebiet zwischen den MCT-Zellen mit dem Hilfsemittergebiet 13 zu belegen. In einer ersten Va riante (Fig. 7) ist das Hilfsemittergebiet daher unter brochen und zerfällt in zwei Hilfsemittergebiete 13a und 13b. Zwischen den Hilfsemittergebieten 13a und 13b ent steht damit ein Zwischenraum, der zur Integration weite rer Bauelementfunktionen verwendet werden kann. In addition to the simple exemplary embodiment of FIG. 6, further possible and advantageous exemplary embodiments are shown in the following figures: it is therefore not necessary to cover the entire area between the MCT cells with the auxiliary emitter area 13 . In a first variant ( FIG. 7), the auxiliary emitter region is therefore interrupted and breaks down into two auxiliary emitter regions 13 a and 13 b. Between the auxiliary emitter regions 13 a and 13 b there is thus a space which can be used for the integration of further component functions.

So ist es beispielsweise vorteilhaft, gemäß Fig. 8 zwi schen den Hilfsemittergebieten 13a, 13b nacheinander die zweite Basisschicht 8 und die erste Basisschicht 9 an die Kathodenfläche treten zu lassen. Die Gateelektrode 4 überdeckt dann auch die zwischen den Hilfsemittergebieten 13a, 13b an die Kathodenfläche tretende zweite Basis schicht 8. Sie bildet zusammen mit dieser, der angrenzen den ersten Basisschicht 9 und den angrenzenden Hilfs emittergebieten 13a, 13b eine MOS-Struktur, die zum MOS- gesteuerten Einschalten des Thyristors verwendet werden kann.For example, it is advantageous, according to FIG. 8, to let the second base layer 8 and the first base layer 9 step between the auxiliary emitter regions 13 a, 13 b in succession to the cathode surface. The gate electrode 4 then also covers the second base layer 8 which comes to the cathode surface between the auxiliary emitter regions 13 a, 13 b. Together with this, which adjoins the first base layer 9 and the adjoining auxiliary emitter regions 13 a, 13 b, it forms a MOS structure which can be used for the MOS-controlled switching on of the thyristor.

Fig. 9 zeigt eine weitere Variante, bei der die Gateelek trode 4 (aus Poly-Si) in einzelne Gateelektroden 4a, 4b aufgeteilt ist, die jeweils nur die eigentlichen Kanalbe reiche überdecken. Dies ermöglicht eine wesentliche Ver ringerung der Gate-Kathoden-Eingangskapazität und damit auch eine weitere Vereinfachung der Gate-Ansteuerelektro nik. Fig. 9 shows a further variant in which the gate electrode 4 (made of poly-Si) is divided into individual gate electrodes 4 a, 4 b, each of which only covers the actual channel areas. This enables a substantial reduction in the gate cathode input capacitance and thus a further simplification of the gate drive electronics.

Bei sämtlichen Varianten kann ebenfalls eine struktu rierte Anode mit Anodenkurzschlüssen (zur Elektronenex traktion und Verringerung der Tailströme) vorgesehen wer den. Zu diesem Zweck werden gemäß Fig. 10 auf der An odenseite die Emitterschicht 10 unterbrochen und in den Unterbruchsbereichen n⁺-dotierte Anodenkurzschlußgebiete 15 angeordnet, welche von der einen Hauptfläche her in die erste Basisschicht 9 hineinragen.In all variants, a structured anode with anode short circuits (for electron extraction and reduction of the tail currents) can also be provided. For this purpose, according to FIG. 10, the emitter layer 10 is interrupted on the anode side and n⁺-doped anode short-circuit regions 15 are arranged in the interruption regions, which protrude from one main surface into the first base layer 9 .

Eine den bisher beschriebenen Verhältnissen ähnliche Si tuation existiert bei großflächigen Bauelementen (ab ei nigen mm² Kathodenfläche aufwärts), bei denen eine Metal lisierung der Gateelektrode in Form einer Finger- oder Baumstruktur zwingend vorgeschrieben ist, um die Ausbrei tungsgeschwindigkeit des Gatesignals innerhalb der Gate elektrode hinreichend klein zu halten. Im Normalfall wird das Gebiet unterhalb der entsprechenden Gatemetallisie rung (16 in Fig. 11) nicht sinnvoll genutzt. Hier bietet sich nun - wie in Fig. 11 gezeigt - an, in genau diesem Gebiet, wo die Poly-Si-Gateelektrode 4 von der Gatemetal lisierung 16 kontaktiert wird, das Hilfsemittergebiet 13 anzuordnen, um so die zur Verfügung stehende Siliziumflä che besser auszunutzen.A situation similar to that described so far exists in large-area components (from a few mm ² cathode area upwards), in which a metalization of the gate electrode in the form of a finger or tree structure is mandatory in order to determine the rate of expansion of the gate signal within the gate electrode to keep it sufficiently small. In the normal case, the area below the corresponding gate metalization ( 16 in FIG. 11) is not used meaningfully. Here, as shown in FIG. 11, it is advisable to arrange the auxiliary emitter region 13 in exactly this region, where the poly-Si gate electrode 4 is contacted by the gate metalization 16 , in order to make better use of the available silicon surface .

Fig. 12 zeigt schließlich eine weitere Variante mit durchgehendem Hilfsemittergebiet 13, jedoch unterbroche ner zweiter Basisschicht 8. In dem Unterbruchsbereich reicht die erste Basisschicht 9 bis an das Hilfsemitter gebiet 13 heran und bildet zusammen mit dem Hilfsemitter gebiet 13 und der Emitterschicht 10 eine PIN-Diode mit der Schichtenfolge n⁺-p⁻-p⁺. Diese Anordnung ist nie derohmiger als die benachbarten Thyristorzellen. Auf diese Weise kann der nachteilige Einfluß des Serienwi derstandes der n-Inversionskanäle wenigstens teilweise aufgehoben werden. FIG. 12 finally shows a further variant with a continuous auxiliary emitter region 13 , but with an interrupted second base layer 8 . In the interruption region, the first base layer 9 extends up to the auxiliary emitter region 13 and, together with the auxiliary emitter region 13 and the emitter layer 10, forms a PIN diode with the layer sequence n⁺-p⁻-p⁺. This arrangement is never more resistive than the neighboring thyristor cells. In this way, the disadvantageous influence of the series resistance of the n-inversion channels can be at least partially eliminated.

Beim Anlegen eines positiven Gatesignals (bezogen auf das Kathodenpotential) wird die PIN-Diode in Vorwärtsrichtung betrieben. Dabei werden massiv Elektronen in die erste Basisschicht 9 injiziert. Die in Fig. 12 gezeigte Struk tur vereinigt also die Funktion des Hilfsemitters und die Funktion des MOS-gesteuerten Einschaltens. Die Entfernung der einzelnen Gebiete der zweiten Basisschicht 8 vonein ander kann so dimensioniert werden, daß keine Gefahr für niedrige Durchbruchspannungen wegen Feldüberhöhungen be steht.When a positive gate signal is applied (based on the cathode potential), the PIN diode is operated in the forward direction. Electrons are massively injected into the first base layer 9 . The structure shown in FIG. 12 thus combines the function of the auxiliary emitter and the function of the MOS-controlled switching on. The distance of the individual areas of the second base layer 8 from one another can be dimensioned so that there is no danger of low breakdown voltages due to field surges.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß in allen Varianten die Hilfsemittergebiete 13 bzw. 13a und 13b ge meinsam mit den hauptsächlichen Emittergebieten 7 der MCT-Zellen MC hergestellt werden können. Es sei weiterhin vermerkt, daß sämtliche dargestellten Strukturen auch komplementär aufgebaut werden können (aus p-dotierten Ge bieten werden n-leitende, und umgekehrt). Ein solcher komplementärer MCT ist insbesondere im Hinblick auf Bau element-Realisierungen für kleinere Spannungen (bis etwa 1 kV) von Bedeutung: Da in diesem Spannungsbereich die blockierende Schicht mit Hilfe der Epitaxie aufgebracht werden kann, steht auch der p-Dotierung dieser Schicht nichts im Weg. Damit ist aber die Realisierung von n-Ka nal-MOSFETs innerhalb der MCT-Zelle möglich, die dann in folge ihrer fast dreimal so hohen Kanalbeweglichkeit den Aufbau eines MOS-gesteuerten Thyristors mit wesentlich erhöhter Abschaltfähigkeit erlaubt.It should be noted at this point that in all variants the auxiliary emitter regions 13 and 13 a and 13 b can be produced together with the main emitter regions 7 of the MCT cells MC. It should also be noted that all of the structures shown can also be constructed in a complementary manner (p-doped Ge offers n-type conductors, and vice versa). Such a complementary MCT is particularly important with regard to component implementations for lower voltages (up to approximately 1 kV): since the blocking layer can be applied with the aid of epitaxy in this voltage range, there is also nothing in the p-doping of this layer Path. However, this makes it possible to implement n-channel MOSFETs within the MCT cell, which, as a result of its channel mobility, which is almost three times as high, allows the construction of a MOS-controlled thyristor with a significantly increased switch-off capability.

Zur Strukturierung der Kathode ist folgendes anzumerken: Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der durch die n-Inversionskanäle repräsentierte Serienwiderstand die Effektivität des Hilfsemitters reduziert. Es sollte dem nach angestrebt werden, diesen Widerstand so klein wie möglich zu halten. Dies kann einerseits dadurch erfolgen, daß eine kleine Kanallänge (d. h. ein kleiner Abstand zwischen dem Kanalgebiet 6 der MCT-Zelle MC und dem Hilfsemittergebiet 13) gewählt wird. Eine untere Grenze wird hierbei durch die verfügbare Justiergenauigkeit der verwendeten Lithographie gesetzt. Auch könnte eine zu kurze Kanallänge mit dem Entstehen einer parasitären, la teralen Bipolarstruktur (bestehend aus Kanalgebiet 6, zweiter Basisschicht 8 und Hilfsemittergebiet 13) einher gehen.The following should be noted regarding the structuring of the cathode: It has already been pointed out that the series resistance represented by the n-inversion channels reduces the effectiveness of the auxiliary emitter. Accordingly, the aim should be to keep this resistance as small as possible. On the one hand, this can be done by choosing a small channel length (ie a small distance between the channel region 6 of the MCT cell MC and the auxiliary emitter region 13 ). A lower limit is set here by the available accuracy of the lithography used. Too short a channel length could also go hand in hand with the emergence of a parasitic, la teral bipolar structure (consisting of channel region 6 , second base layer 8 and auxiliary emitter region 13 ).

Eine einfachere Methode, den Serienwiderstand beliebig klein zu machen, besteht darin, die Kanalweite zu ver größern. Dies kann erreicht werden, indem das Hilfsemit tergebiet 13 streifenartig (mit großer Länge) ausgeführt wird. Zu beiden Seiten des Hilfsemittergebietes 13 sind dann entweder die (quadratischen) MCT-Zellen MC in Form einer langen Reihe angeordnet (Fig. 13A), oder die MCT- Zellen MC sind selber analog zu dem Hilfsemittergebiet 13 streifenförmig ausgebildet (Fig. 13B).A simpler method of making the series resistance as small as possible is to enlarge the channel width. This can be achieved by the Hilfemit tergebiet 13 is strip-like (long length). Then, on both sides of the auxiliary emitter region 13 , the (square) MCT cells MC are arranged in the form of a long row ( FIG. 13A), or the MCT cells MC are themselves strip-shaped analogous to the auxiliary emitter region 13 ( FIG. 13B).

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein MCT, der gleichzeitig auch auf großen Flächen die Abschaltfähig keit der Einzelzelle bewahrt und einen geringen ON-Wider stand aufweist.Overall, the invention results in an MCT that can also be switched off on large areas preservation of the single cell and a low ON resistance boasted.

Claims

1. MOS controlled thyristor MCT, comprising

(a) a semiconductor substrate ( 1 ) with two opposite the main surfaces, one of which is assigned to an anode (A) and the other to a cathode (K) and forms a cathode surface;
(b) within the semiconductor substrate ( 1 ) between the anode (A) and the cathode (K) a layer sequence with an emitter layer ( 8 ) of a first conductivity type, a first base layer ( 9 ) of a second, the first opposite conductivity speed type, and a second base layer ( 8 ) of the first conductivity type;
(c) within the semiconductor substrate ( 1 ) between the anode (A) and the cathode (K) a plurality of MCT cells (MC) arranged next to one another and connected in parallel;
(d) within each MCT cell (MC) on the cathode side an emitter region ( 9 ) of the second conductivity type embedded in the second base layer ( 8 ), which is contacted from the cathode surface by a cathode contact ( 2 ); and
(e) inside each MCT cell (MC) on the cathode side, a MOS structure with a gate electrode ( 4 ) arranged insulated above the cathode surface, which MOS structure causes a switchable short circuit between the second base layer ( 8 ) and the cathode contact ( 2 ) forms;

characterized in that

(f) the individual MCT cells (MC) are separated from one another by interstices ( 12 ) in which the second base layer ( 8 ) comes to the cathode surface;
(g) the lateral, linear dimensions of the spaces ( 12 ) are at least of the same order of magnitude as the lateral, linear dimensions of the individual MCT cell (MC) itself;
(h) in the interstices ( 12 ) independent auxiliary emitter regions ( 13 , 13 a, 13 b) of the second conductivity type are embedded in the second base layer ( 8 ), which auxiliary emitter regions offer ( 13 , 13 a, 13 b) are separated from the adjacent MCT cells (MC) by the second base layer ( 8 ) approaching the cathode surface; and
(i) the gate electrode ( 4 ) covers the second base layer ( 8 ) which comes to the cathode surface.

2. MOS controlled thyristor MCT, comprising

(a) a semiconductor substrate ( 1 ) with two opposite the main surfaces, one of which is assigned to an anode (A) and the other to a cathode (K) and forms a cathode surface;
(b) within the semiconductor substrate ( 1 ) between the anode (A) and the cathode (K) a layer sequence with an emitter layer ( 8 ) of a first conductivity type, a first base layer ( 9 ) of a second, the first opposite conductivity speed type, and a second base layer ( 8 ) of the first conductivity type;
(c) within the semiconductor substrate (1) between the anode (A) and the cathode (K) a plurality of MCT cells (MC) arranged next to one another and connected in parallel;
(d) within each MCT cell (MC) on the cathode side an emitter region ( 9 ) of the second conductivity type embedded in the second base layer ( 8 ), which is contacted from the cathode surface by a cathode contact ( 2 ); and
(e) inside each MCT cell (MC) on the cathode side, a MOS structure with a gate electrode ( 4 ) arranged insulated above the cathode surface, which MOS structure causes a switchable short circuit between the second base layer ( 8 ) and the cathode contact ( 2 ) forms;

characterized in that

(f) all MCT cells (MC) are combined in a plurality of MCT cell clusters (MCC);
(g) each MCT cell cluster (MCC) is formed from a few MCT cells (MC), which are arranged in the immediate vicinity of one another;
(h) the MCT cell clusters (MCC) are separated from one another by interstices ( 12 ) in which the second base layer ( 8 ) comes to the cathode surface;
(i) the lateral, linear dimensions of the intermediate space ( 12 ) are at least of the same order of magnitude as the lateral, linear dimensions of the individual MCT cell (MC) itself; and
(k) in the interstices ( 12 ) independent auxiliary emitter regions ( 13 , 13 a, 13 b) of the second conductivity type are embedded in the second base layer ( 8 ), which auxiliary emitter regions offer ( 13 , 13 a, 13 b) are separated from the adjacent MCT cell clusters (MCC) by the second base layer ( 8 ) approaching the cathode surface; and
(l) the gate electrode ( 4 ) covers the second base layer ( 8 ) which comes to the cathode surface.

3. MOS-controlled thyristor MCT according to one of claims 1 and 2, characterized in that the lateral, li near dimensions of the spaces ( 12 ) are a multiple times larger than the lateral, linear dimensions of the individual MCT cell ( MC) itself.

4. MOS-controlled thyristor MCT according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the intermediate spaces men ( 12 ) each have a single, contiguous auxiliary region ( 13 ) is arranged. ( Fig. 6).

5. MOS-controlled thyristor MCT according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the intermediate spaces men ( 12 ) each have a plurality of non-contiguous and spaced auxiliary emitter regions ( 13 a, 13 b) arranged between which the second base layer ( 8 ) comes to the cathode surface. ( Fig. 7).

6. MOS-controlled thyristor MCT according to claim 5, characterized in that

(a) between the auxiliary emitter regions ( 13 a, 13 b), the second base layer ( 8 ) and the first base layer ( 9 ) occur one after the other on the cathode surface; and
(b) the gate electrode ( 4 ) also covers the second base layer ( 8 ) between the auxiliary centers ( 13 a, 13 b) at the cathode surface and together with this, the adjacent first base layer ( 9 ), and the adjacent auxiliary emitter regions ( 13 a, 13 b) forms a MOS structure for switching on the thyristor. ( Fig. 8).

7. MOS-controlled thyristor MCT according to one of claims 1 to 6, characterized in that the gate electrode ( 4 ) extends over the entire space ( 12 ).

8. MOS-controlled thyristor MCT according to one of claims 1 to 6, characterized in that to reduce the gate cathode capacitance, the gate electrode ( 4 ) is divided into an individual gate electrodes ( 4 a, 4 b), which is an individual gate electrodes ( 4 a, 4 b) essentially only cover the second base layer ( 8 ) which comes to the cathode surface. ( Fig. 9).

9. MOS-controlled thyristor MCT according to one of claims 1 to 6, characterized in that on the anode side, the emitter layer ( 10 ) is interrupted and in the sub-break regions anode short-circuit regions ( 15 ) of the second conductivity type are arranged, which anode short-circuit regions ( 15 ) of protrude from one main surface into the first base layer ( 9 ). ( Fig. 10).

10. MOS-controlled thyristor MCT according to one of Ansprü che 1 and 2, characterized in that

(a) the gate electrodes ( 4 ) are provided with a gate metallization ( 16 ) to increase the speed of expansion of a gate signal; and
(b) the auxiliary emitter regions ( 13 ) are arranged in the semiconductor substrate ( 1 ) below the gate metallization ( 16 ). ( Fig. 11).

11. MOS-controlled thyristor MCT according to one of Ansprü che 1 and 2, characterized in that

(a) the second base layer ( 8 ) below the auxiliary areas ( 15 ) is interrupted in each case; and
(b) zoom range in the interruption regions, the first base layer (9) up to the auxiliary emitter regions (13) and forming a PIN diode, together with the auxiliary emitter regions (13) and the emitter layer (10). ( Fig. 12)

12. MOS-controlled thyristor MCT according to one of claims 1 and 2, characterized in that the auxiliary areas ( 13 , 13 a, 13 b) are formed in the form of elongated strips.

13. MOS-controlled thyristor MCT according to claim 12, characterized in that the auxiliary emitter regions ( 13 , 13 a, 13 b) adjacent MCT cells (MC) along the auxiliary emitter regions ( 13 , 13 a, 13 b) in the form of a Row are arranged. ( Fig. 13A).

14. MOS-controlled thyristor MCT according to claim 12, characterized in that the auxiliary emitter regions ( 13 , 13 a, 13 b) adjacent MCT cells (MC) are also formed in the form of elongated strips. ( Fig. 13B).

15. MOS-controlled thyristor MCT according to one of Ansprü che 1 and 2, characterized in that

(a) the emitter layer ( 8 ) is p⁺-doped, the first base layer ( 9 ) is n-doped, the second base layer ( 8 ) is p-doped and the emitter region ( 9 ) is n⁺-doped; and
(b) the MOS structure is a p-channel MOSFET.