DE4137840A1

DE4137840A1 - Halbleiterschalter zum sperren hoher spannungen

Info

Publication number: DE4137840A1
Application number: DE19914137840
Authority: DE
Inventors: Klas Lilja
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-11-16
Filing date: 1991-11-16
Publication date: 1993-06-03

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft einen Halbleiterschal ter zum Sperren hoher Spannungen, umfassend

a) ein schwach dotiertes Halbleitersubstrat von einem ersten Leitfähigkeitstyp mit einer ersten und zwei ten Hauptfläche, wobei die erste Hauptfläche einer Anode und die zweite Hauptfläche einer Kathode zuge ordnet sind; und
b) eine in das Halbleitersubstrat eingelassene erste Schicht von einem zweiten, zum ersten entgegenge setzten Leitfähigkeitstyp, welche erste Schicht im Vergleich zur Dotierungskonzentration des Halblei tersubstrats so stark dotiert ist, daß sie bei ei nem direkten Angrenzen zusammen mit dem benachbarten Teil des Halbleitersubstrats vom ersten Leitfähig keitstyp einen hochsperrenden einseitigen pn-Über gang bildet.

Ein solches Bauelement ist z. B. in Form einer PIN-Diode oder eines über ein Gate abschaltbaren Thyristors GTO aus dem Stand der Technik bekannt.

Stand der Technik

Der dynamische Lawinendurchbruch ("dynamic avalanche") ist ein Phänomen, daß in verschiedenen Hochspannungs- Halbleiterschaltern wie z. B. einer Diode (Fig. 1A), einem GTO (Fig. 1B), einem feldgesteuerten Thyristor FCTh, ei nem MOS-gesteuerten Thyristor MCT oder jeder anderen Art von Bauelement, welche gegen eine hohe Spannung abzu schalten ist, auftreten kann.

Im Falle eines abschaltbaren Thyristors (GTO, FCTh oder MCT) muß die Injektion von Elektronen vom kathodenseiti gen Emitter her beim Abschalten des Bauelements vollstän dig gestoppt werden, um eine Filamentierung des abzu schaltenden Stroms zu vermeiden (siehe dazu den Artikel von K. Lÿa und H. Grüning, "Onset of Current Filamenta tion in GTO Devices", PESC ′90, Power Electronics Specia list Conference, S. 398-406 (1990)), es sei denn, daß eine äußere Schutzbeschaltung ("snubber circuit") ver wendet wird, die das gleichzeitige Auftreten von hohem Strom und hoher Spannung am Bauelement verhindert.

Die Situation im herkömmlichen abschaltbaren Thyristor während des Abschaltvorganges wird durch die Fig. 2B ver deutlicht, welche die örtliche Variation der Dotierungs konzentration c1 und der Ladungsträgerkonzentration c2 im Bauelement wiedergibt: Der gesamte Strom durch die Raum ladungszone 12, die am sperrenden pn-Übergang zwischen der n⁻-dotierten ersten Basisschicht 10 und der p⁺-do tierten zweiten Basisschicht 9 entsteht, wird von Löchern (angedeutet durch Kreise mit (+)-Zeichen) getragen. Außerhalb der Raumladungszone 12 teilen sich dagegen Löcher und Elektronen (angedeutet durch Kreise mit (-)-Zeichen) den Stromtransport.

Vergleichbare Verhältnisse liegen beim Abschalten einer Diode, d. h. beim Übergang von Durchlaß- in Sperrichtung vor (siehe die zu Fig. 2B analoge Darstellung in Fig. 2A).

Die Ladung der Löcher addiert sich zu der Donator-Dotie rung in der ersten Basisschicht 10 und führt dadurch zu einer Erhöhung des elektrischen Feldes. Eine mögliche Stoßionisation wird aus diesem Grunde bei viel kleineren Spannungen am Bauelement einsetzen, als im statischen Fall. Dieser Effekt wird als dynamischer Lawinendurch bruch bezeichnet.

Wenn eine Stoßionisation einsetzt, werden an dem sper renden pn-Übergang Elektronen erzeugt, die, wenn sie sich über die Raumladungszone 12 ausbreiten, die Ladung der Löcher abschirmen und damit die effektive Dotierung und das elektrische Feld verringern.

Bevor sich jedoch die Elektronen über die gesamte Raumla dungszone ausgebreitet haben, gibt es einen Zeitabschnitt (von einigen wenigen Nanosekunden), in dem der Lawinen durchbruch beginnt und die Spannung anfängt, zusammenzu brechen. Während dieses kurzen Zeitabschnitts ist das Bauelement sehr instabil und der Strom kann entweder sehr stark ansteigen oder sich umverteilen und zu einer Fila mentierung führen. Messungen und Experimente bestätigen generell, daß der dynamische Lawinendurchbruch zerstöre risch ist oder zumindest das normale Funktionieren des Bauelements verhindert.

Die Löcherkonzentration p in der Raumladungszone 12 kann mit Hilfe der nachfolgenden Gleichung leicht aus der ge samten Stromdichte j im Bauelement berechnet werden:

j = q _* p _* v_s′ (1)

wobei q die Elementarladung und v_s die Sättigungs-Drift geschwindigkeit (≈ 10⁷ cm/s) bezeichnet. Als Beispiel ist bei einer Stromdichte von j = 200 A/cm² die Löcherkonzen tration p ungefähr 1,3 × 10¹⁴ cm^-3 und der Lawinendurch bruch würde bei einer Spannung von ungefähr 1800 V er reicht.

Bei einem Abschalten gegen eine hohe Spannung führt somit der dynamische Lawinendurchbruch bei herkömmlichen Bau elementen zu einer massiven Einschränkung in den ab schaltbaren Stromdichten.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, für Dioden und abschaltbare Leistungshalbleiter-Bauelemente Mittel an zugeben, um einen dynamischen Lawinendurchbruch selbst bei hohen Strömen und Spannungen sicher zu verhindern.

Die Aufgabe wird bei einem Halbleiterschalter der ein gangs genannten Art dadurch gelöst, daß

c) zwischen der ersten Schicht und dem benachbarten Teil des Halbleitersubstrats vom ersten Leitfähig keitstyp eine Zusatzschicht vom zweiten Leitfähig keitstyp angeordnet ist; und
d) die Dotierungskonzentration der Zusatzschicht so ge wählt ist, daß der zwischen Zusatzschicht und Halbleitersubstrat gebildete pn-Übergang ein zwei seitiger Übergang ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, am sperrenden pn- Übergang eine zusätzliche Schicht mit reduzierter Dotie rung (Im Falle eines n-dotierten Halbleitersubstrats eine p-Schicht) vorzusehen, die aus dem an sich einseitigen ("one-sided") pn-Übergang einen zweiseitigen ("two-si ded") macht. Dadurch können die Löcher in der Raumladungs zone die Erhöhung der effektiven Dotierung auf der einen Seite durch eine Verringerung der effektiven Dotierung auf der anderen Seite kompensieren und so das elektrische Feld reduzieren.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Bauelements nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Halbleiter substrat n⁻-dotiert und die erste Schicht p+-dotiert sind, und die Dotierungskonzentration der Zusatzschicht um etwa eine Zehnerpotenz größer ist als die Dotierungs konzentration des Halbleitersubstrats.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1A den Querschnitt durch eine herkömmliche hoch sperrende Diode mit PIN-Struktur;

Fig. 1B den Querschnitt durch einen herkömmlichen Gate- Turn-Off-Thyristor GTO;

Fig. 2A Dotierungskonzentration und Ladungsträgerkon zentration beim Abschalten einer Diode gemäß Fig. 1A;

Fig. 2B Dotierungskonzentration und Ladungsträgerkon zentration beim Abschalten eines GTO gemäß Fig. 1B;

Fig. 3A Dotierungskonzentration und Ladungsträgerkon zentration beim Abschalten einer zu Fig. 1A vergleichbaren Diode gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 3B Dotierungskonzentration und Ladungsträgerkon zentration beim Abschalten eines zu Fig. 1B vergleichbaren GTO gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1A ist der innere Aufbau einer hochsperrenden Di ode nach dem Stand der Technik dargestellt: In einem Halbleitersubstrat 1 mit zwei Hauptflächen, von denen die erste (untere) einer Anode A und die zweite (obere) einer Kathode K zugeordnet ist, ist zwischen der Anode A und der Kathode K eine Folge von unterschiedlich dotierten Schichten angeordnet, die eine p⁺-dotierte Anodenschicht 5, eine n⁻-dotierte innere Schicht 4 und eine n⁺-dotierte Kathodenschicht 3 umfaßt. Die innere Schicht 4 ist dabei zugleich ein übriggebliebener Teil des ursprünglichen, n⁻ -dotierten Halbleitersubstrats. Die Anodenschicht 5 ist durch einen Anodenkontakt 6 kontaktiert, die Kathoden schicht 3 entsprechend durch einen Kathodenkontakt 2.

Der schematische Verlauf der Dotierungskonzentration c1 entlang der Schnittlinie S1-S1 aus Fig. 1A ist - zusammen mit der Ladungsträgerkonzentration c2 beim Abschalten - in der zugehörigen Fig. 2A im logarithmischen Maßstab und willkürlichen Einheiten wiedergegeben. Beim Abschal ten, d. h. beim Umpolen der Diode vom Durchlaß- in den Sperrzustand, baut sich am sperrenden pn-Übergang zwi schen den Schichten 4 und 5 eine Raumladungszone 12 auf, in welcher der Strom ausschließlich durch Löcher getra gen wird.

Vergleichbares gilt auch für einen GTO (oder einen ande ren abschaltbaren Thyristor), wie er in Fig. 1B und 2B dargestellt ist: Der innere Aufbau des GTO (Fig. 1B) um faßt zwischen Anode A und Kathode K eine Folge aus einer Emitterschicht 11 (p⁺-dotiert), einer ersten Basisschicht 10 (n⁻-dotiert), einer zweiten Basisschicht 9 (p⁺-do tiert) und einer Vielzahl von einzelnen Emittergebieten 8 (n⁺-dotiert). Die Emittergebiete 8 definieren dabei ein zelne Thyristorelemente, zwischen denen die zweite Basis schicht 9 an die kathodenseitige Hauptfläche tritt und dort durch Gatekontakte 7 mit einem Gate G verbunden ist. Die zu Fig. 2A analogen Verläufe von c1 und c2 entlang der Schnittlinie S2-S2 aus Fig. 1B sind in Fig. 2B ge zeigt. Typische Dotierungskonzentrationen für die einzel nen Schichten bzw. Gebiete des GTO können dabei wie folgt angegeben werden:

p-Emitterschicht 11: ≦λτ10¹⁸ cm^-3
n-Basisschicht 10: 10¹³ - 10¹⁵ cm^-3
p-Basisschicht 9: 10¹⁵ - 10¹⁷ cm^-3
n-Emittergebiet 8: 10²⁰ - 10²¹ cm^-3.

Wie bereits eingangs beschrieben, erhöhen bei herkömmli chen Bauelementen in der Abschaltphase die Löcher in der Raumladungszone 12 die effektive Dotierung in diesem Bereich und damit die Feldstärke und die Neigung zu einem dynamischen Lawinendurchbruch.

Gemäß der Erfindung wird nun am sperrenden pn-Übergang, d. h. zwischen den Schichten 4 und 5 einer Diode gemäß Fig. 2A bzw. zwischen den Schichten 10 und 9 eines GTO gemäß Fig. 2B eine tiefliegende, schwach p-dotierte Zu satzschicht 13 eingefügt (Fig. 3A bzw. 3B), die den ein seitigen (Raumladungszone nur auf einer Seite des pn- Übergangs) in einen zweiseitigen (Raumladungszone auf bei den Seiten) pn-Übergang umwandelt.

Diese Zusatzschicht hat den folgenden Effekt: Die Löcher, die in der Abschaltphase den Strom durch die Raumladungs zone tragen, addieren sich mit ihrer Ladung - wie bei den herkömmlichen Bauelementen oben beschrieben - zu der Do tierung auf der n⁻-Seite des pn-Übergangs und erhöhen so die effektive Dotierung. Auf der p-Seite jedoch reduzie ren sie durch Kompensation der negativen Akzeptor-Ladun gen die effektive Dotierung. Beim einseitigen pn-Über gang der herkömmlichen-Bauelemente hat diese Reduktion keinen Einfluß auf das maximale elektrische Feld, weil sie gegenüber der starken p-Dotierung vernachlässigbar ist. Beim zweiseitigen pn-Übergang der Erfindung aller dings macht sich die Reduktion bemerkbar und kompensiert die Erhöhung der effektiven Dotierung auf der n⁻-Seite des Übergangs.

Beispiel

Es sei an dieser Stelle ein Beispiel für den besonders einfachen Fall angegeben, daß die Raumladungszone 12 nicht durch die niedrig dotierten Zonen hindurchreicht, d. h. kein "punch-through" vorliegt.

Im Falle eines einseitigen pn-Übergangs ist das maximale elektrische Feld (das den Lawinendurchbruch festlegt) ge geben durch (siehe dazu: S. M. Sze, "Physics of Semicon ductor Devices", John Wiley & Sons (1981)):

E_max = (V _* 2q/ε)^1/2(N_D)^1/2 (2)
(statisch),

wobei V die Spannung über dem pn-Übergang und ND die Do nator-Konzentration auf der n⁻-Seite bezeichnet.

Im dynamischen Fall addieren sich die Ladungen der Löcher zu der n-Dotierung und man erhält:

E_max = (V _* 2q/ε)^1/2(N_D + p)^1/2 (3)
(dynamisch),

wobei p die Löcherkonzentration gemäß Gleichung (1) ist.

Für den zweiseitigen pn-Übergang ändern sich die Formeln wie folgt:

E_max = (V _* 2q/ε)^1/2(N_D _* N_A/(N_D + N_A))^1/2 (4)
(statisch), und

E_max = (V _* 2q/ε)^1/2((N_D + p) _* (N_A - p)/(N_D + N_A))^1/2 (5)
(dynamisch).

Um den Unterschied deutlich zu machen, seien nachfolgend einige Werte berechnet: Das kritische Feld für Stoßioni sation ist ungefähr 2,0 × 10⁵ V/cm bei diesen Dotierungs konzentrationen. Wenn beispielsweise ND = 4,0 × 10¹³ cm^-3, ist die statische Durchbruchspannung für den Fall des einseitigen pn-Übergangs etwa 3300 V. Bei einer Stromdichte von 250 A/cm² ist die (dynamische) Löcherkon zentration 1,6 × 10¹⁴ cm^-3. Daraus folgt in diesem Fall eine dynamische Durchbruchspannung von nur 670 V.

Im Fall des zweiseitigen pn-Übergangs (mit Zusatzschicht 13 gemäß der Erfindung) sei die Akzeptor-Dotierung N_A = 4,0 × 10¹⁴ cm^-3. N_D habe denselben Wert wie oben. Die statische Durchbruchspannung ergibt sich dann zu 3600 V, während die dynamische Durchbruchspannung (ebenfalls für j = 250 A/cm²) einen Wert von 1200 V, also fast doppelt so hoch wie ohne die Zusatzschicht, annimmt.

Es sei an dieser Stelle ausdrücklich vermerkt, daß die Erfindung nicht auf Bauelemente beschränkt ist, die von einem n-dotierten Grundmaterial ausgehen, sondern auch Bauelemente mit komplementärer Dotierung umfaßt, bei denen die p-dotierten Schichten durch n-dotierte ersetzt sind, und umgekehrt. Desgleichen können die Dotierungs konzentrationen der einzelnen Schichten in größeren Be reichen variieren. Wesentlich für die Erfindung ist die Umwandlung eines ursprünglich einseitigen in einen zwei seitigen sperrenden pn-Übergang, derart, daß die La dungsaddition und die Ladungsreduktion durch den Löcher strom in der Abschaltphase auf den unterschiedlichen Sei ten des Übergangs sich gegenseitig weitgehend kompensie ren.

Claims

1. Halbleiterschalter zum Sperren hoher Spannungen, um fassend

a) ein schwach dotiertes Halbleitersubstrat (1) von ei nem ersten Leitfähigkeitstyp mit einer ersten und zweiten Hauptfläche, wobei die erste Hauptfläche ei ner Anode (A) und die zweite Hauptfläche einer Ka thode (K) zugeordnet sind; und
b) eine in das Halbleitersubstrat (1) eingelassene er ste Schicht von einem zweiten, zum ersten entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyp, welche erste Schicht im Vergleich zur Dotierungskonzentration des Halblei tersubstrats (1) so stark dotiert ist, daß sie bei einem direkten Angrenzen zusammen mit dem benachbar ten Teil des Halbleitersubstrats (1) vom ersten Leitfähigkeitstyp einen hochsperrenden einseitigen pn-Übergang bildet; dadurch gekennzeichnet, daß
c) zwischen der ersten Schicht und dem benachbarten Teil des Halbleitersubstrats (1) vom ersten Leitfä higkeitstyp eine Zusatzschicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist; und
d) die Dotierungskonzentration der Zusatzschicht (13) so gewählt ist, daß der zwischen Zusatzschicht (13) und Halbleitersubstrat (1) gebildete pn-Übergang ein zweiseitiger Übergang ist.

2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) n⁻-dotiert und die erste Schicht p⁺-dotiert sind.

3. Halbleiterschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dotierungskonzentration der Zusatz schicht (13) nur um etwa eine Zehnerpotenz größer ist als die Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats (1).

4. Halbleiterschalter nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dotierungskonzentration des Halblei tersubstrats (1) etwa 4 × 10¹³ cm^-3 und die Dotierungs konzentration der Zusatzschicht (13) etwa 4 × 10¹⁴ cm^-3 beträgt.

5. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Halbleiterschalter als eine Diode ausgebildet ist, welche zwischen der Anode (A) und der Kathode (K) eine Schichtenfolge mit einer Anodenschicht (5) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, einer inneren Schicht (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp und einer Kathoden schicht (3) vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweist; und
b) die Zusatzschicht (13) zwischen der Anodenschicht (5) und der inneren Schicht (4) angeordnet ist.

6. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Halbleiterschalter als ein abschaltbarer Thyri stor ausgebildet ist, welcher zwischen der Anode (A) und der Kathode (K) eine Schichtenfolge mit einer Emitterschicht (11) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, einer ersten Basisschicht (10) vom ersten Leitfähig keitstyp, einer zweiten Basisschicht (9) vom zweiten Leitfähigkeitstyp und kathodenseitigen, in die zweite Basisschicht (9) eingelassenen Emittergebie ten (8) vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweist; und
b) die Zusatzschicht (13) zwischen den beiden Basis schichten (10, 9) angeordnet ist.