DE4209148C2

DE4209148C2 - Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung mit Überlastschutz (latchup)

Info

Publication number: DE4209148C2
Application number: DE4209148A
Authority: DE
Inventors: Naoki Kumagai
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1991-03-22
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2012-03-21
Also published as: GB2255244B; GB9206100D0; JPH0521787A; GB2255244A; JP3180831B2; DE4209148A1; US5303110A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine sperrschichtgesteuer te Halbleitervorrichtung (eine Halbleitervorrichtung mit iso liertem Gate) gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 5 und 9. Eine gattungsbildende Halbleitervorrichtung ist beispielsweise aus der DE 39 27 307 A1 bekannt.

Unter Bezug auf Fig. 7 wird eine Beschreibung ei nes bekannten Sperrschicht-Bipolartransistors (eines Bipolar transistors mit isoliertem Gate) gegeben. Der rechte halbe Abschnitt von Fig. 7 betrifft den Hauptkörper des Schaltkrei ses 10 eines bipolaren Sperrschichttransistors. Dabei wird eine Epitaxieschicht 113 des n-Typs verwen det, die man auf einem Festkörpersubstrat 111 des p-Typs über einer Festkörperpufferschicht 112 des n-Typs zu einer vorbe stimmten Dicke hat wachsen lassen. Weiterhin ist die Ober fläche der Epitaxieschicht 113 mit einem Gateoxidfilm 114 be deckt und weiterhin mit einer Gateelektrodenschicht 115 oder Gatefilm versehen, die aus polykristallinem Silizium besteht. Auf dem Gatefilm 115 ist durch eine Anzahl von Fenstern ein Muster ausgebildet.

Eine Basisschicht 11 des p-Typs und Emitterschich ten 12 des n-Typs für den Hauptkörper 10 läßt man bei der Herstellung durch die Fenster diffundieren, die in dem Gatefilm 115 vorgesehen sind. Von einem Elektrodenfilm 116 ist eine Emitterverbindung 101 zuge führt, um beide Halbleiterschichten auf der Oberfläche kurz zuschließen; von einem Gatefilm 115 aus ist eine Gateverbindung 102 zugeführt; und von einem Elektrodenfilm 166 unterhalb des Substrats 111 ist eine Kollektorverbindung 103 zugeführt. Wie aus Fig. 7 deutlich wird, stellt dieser bipolare Sperrschicht transistor eine vertikale Halbleitervorrichtung dar.

Wenn eine positive Gatespannung an die Gateklemme 102 eines bipolaren Sperrschichttransistors angelegt wird, der wie bei dem voranstehenden Beispiel beschrieben aufgebaut ist, so wird ein n-Kanal auf der Oberfläche der Basisschicht 11 des p-Typs unterhalb des Gatefilms 115 ausgebildet. Daher werden von den Emitterschichten 12 des n-Typs über die ausgebildeten n-Kanä le Elektronen in die Epitaxieschicht 113 des n-Typs injiziert. Die Leitfähigkeitsmodulation auf der Grundlage der so inji zierten Elektronen führt dazu, daß der Basisstrom dem vertikalen pnp- Transistor zugeführt wird, einschließlich dem Substrat 111 des p-Typs, der Pufferschicht 112 des n-Typs, der Epitaxieschicht 113, und einer Basisschicht 21 des p-Typs. Wenn der pnp-Transistor eingeschaltet wird, so wird der Strom dazu veranlaßt, zwischen der Kollektorklemme 103 und der Emit terklemme 101 zu fließen. Daher wird der bipolare Sperr schichttransistor eingeschaltet gehalten.

Der bipolare Sperrschichttransistor ist einer Kombination ei nes Feldeffekttransistors mit einem Bipolartransistor äqui valent und kann durch die in Fig. 8 gezeigte äquivalente Schaltung dargestellt werden. Da der bipolare Sperrschicht transistor den Aufbau eines vierschichtigen Thyristors in der Reihenfolge p n p n aufweist, mit dem Substrat 111 des p-Typs, der Pufferschicht 112 des n-Typs, der Epitaxieschicht 113, der Basisschicht 21 des p-Typs, und einer Emitterschicht 22 des n-Typs, kann eine Störung (latchup) auftreten, die die Steuerung des isolierten Gates (der Sperrschicht) unwirksam macht, weil der Thyristor dann lei tet, wenn eine Überlastung oder ein Kurzschluß der Last er folgt. Ein hoher Strom kann dann in einer kurzen Zeit zu ei ner thermischen Zerstörung des Transistors führen.

Eine derartige Störung tritt infolge einer Überlastung auf, wie voranstehend beschrieben, besonders dann, wenn versucht wird, die intern verursach ten Verluste zu verringern, um die Leistung des bipolaren Sperrschichttransistors zu erhöhen. Mit anderen Worten: ob wohl die Menge der Elektronen, die in die Epitaxieschicht 113 injiziert werden soll, dadurch vergrößert werden kann, daß die Länge des Kanals unterhalb dem Gatefilm 116 verkürzt wird, mit dem Vorteil, daß der aufgetretene Verlust verrin gert wird, erhöht sich der Spannungsabfall, der bei einem Emitterkurzschluß in einem Abschnitt erzeugt wird, welcher die Emitterschicht 22 und die Basisschicht 21 kurzschließt, wenn sich der durch den Kanal fließende Strom erhöht. Daher leitet infolge der Injektion des Basisstroms des Span nungsabfalls ein parasitärer Transistor des npn-Typs, der aus der Emitterschicht 12 des n-Typs, der Basisschicht 11 des p- Typs, und aus der Epitaxieschicht 113 des n-Typs besteht. Da her ist es wahrscheinlich, daß ein latchup auftritt.

Daher muß ein Zusammenbruch infolge eines latchup ver hindert werden, um die Leistung der sperrschichtgesteuerten Halbleitervorrichtung dadurch zu erhöhen, daß der intern verursachte Verlust und die Einschaltspannung verringert wer den. In der JP-A-3-97269 wird vorgeschlagen, eine Lösung wie folgt zu versuchen.

Unter Bezug auf die in Fig. 8 gezeigte Ersatzschaltung wird eine Beschreibung des Prinzipes dieses bekannten Vorschlags gegeben.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist ein Überlastdetektor 20 gerin ger Größe oder eine Stromdetektorzelle mit ähnlichem Aufbau wie der Hauptkörper 10 der sperrschichtgesteuerten Halbleiter vorrichtung vorgesehen. Der Überlastdetektor 20 kann dadurch hergestellt werden, daß bei der Herstellung eine Diffusion der Basisschicht 21 des p-Typs und der Emitterschicht 22 des n-Typs durch die Fenster des Gatefilms 115 für den Hauptkörper 10 erfolgt auf dieselbe Weise, wie voranstehend unter Bezug auf Fig. 7 be schrieben wurde. Die Gateklemme 102 und die Kollektorklemme 103 können gemeinsam mit dem Hauptkörper 10 verwendet werden. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird eine Gatespannung 104 über einen Gatewiderstand 30 an ein gemeinsames isoliertes Gate 105 (Sperrschicht) angelegt. Weiterhin ist eine Stromdetek toreinrichtung 40, beispielsweise ein Widerstand, an die Emit terseite des Überlastdetektors 20 angeschlossen, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Ein Feldeffekttransistor 50, dessen Gate mit dem Spannungsabfall der Stromdetektoreinrichtung beaufschlagt wird, ist beispielsweise über einen Widerstand 65 mit der Sperrschicht 105 zur gemeinsamen Verwendung mit dem Haupt körper 10 und dem Überlastdetektor 20 verbunden.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, wird der Feldeffekttransistor 50 dadurch hergestellt, daß man einen Graben 51 des p-Typs, ei ne Grabenverbindungsschicht 52 des p-Typs, eine Sourceschicht 54 des n-Typs, und eine Drainschicht 55 des n-Typs durch die Fenster des Gatefilms 115 isoliert von dem Hauptkörper 10 diffundieren läßt.

Wenn die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung, wie in der Ersatzschaltung von Fig. 8 gezeigt, den Überlastungs zustand annimmt, wenn beispielsweise die an die Kollektorklem me 103 oder an die Emitterklemme 101 angeschlossene Last kurz geschlossen wird, so steigt der in den Überlastdetektor 20 fließende Strom an. Daher erhöht sich der Spannungsabfall der Stromdetektoreinrichtung 40. Da das Gate des Feldeffekttran sistors 50 dem Spannungsabfall folgt, nimmt der Transis tor seinen Betrieb auf, wenn der Spannungsabfallwert den Schwellenwert des Gates annimmt und die Spannung absenkt, die an die Sperrschicht 105 angelegt wird, durch Aufteilen der Gatespannung 104 über den Einschaltwiderstand, den Wider stand 65, und den Gatewiderstand 30, um so ein latchup zu verhindern, indem der in den Hauptkörper 10 fließende Strom begrenzt oder "abgeschnitten" wird. In diesem Fall wird der Widerstand 65 dazu verwendet, ein Teilerverhältnis der Gatespannung 104 einzustellen, um die an die Sperrschicht 105 angelegte Spannung zu erniedrigen, er kann jedoch weggelassen werden, wenn dies erforderlich sein sollte.

Obwohl theoretisch ein latchup in der sperrschichtge steuerten Halbleitervorrichtung mit der Ersatzschaltung von Fig. 8 verhindert werden kann, ist tatsächlich die Spannungs festigkeit des Feldeffekttransistors mangelhaft. Daher kann in dem Feldeffekttransistor 50 ein latchup auftreten, während die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung aus geschaltet gehalten wird. Darüber hinaus kann es auf treten, daß der Überlastschutzbetrieb des Feldeffekttransistors 50 zu unnötigen Schwingungen führt, wenn die Last der sperrschicht gesteuerten Halbleitervorrichtung einen Kurzschluß zeigt.

Der Grund für das Auftreten des erstgenannten Problems beruht auf der Tatsache, daß infolge der gleichzeitigen Diffusion des Grabens 51 des p-Typs des Feldeffekttransistors 50 gemäß Fig. 7 mit den jeweiligen Basisschichten 11 und 21 des p-Typs während des Herstellungsvorganges die Verunreinigungskonzen tration für den Feldeffekttransistor zu hoch bleibt. Mit ande ren Worten muß die Verunreinigungskonzentration in dem Haupt körper 10 so festgelegt werden, daß sie zumindest etwa 10¹⁷ Atome/cm³ beträgt, um den Emitterkurzschlußwiderstand so weit wie möglich zu reduzieren bezüglich der Emitterschicht 12, um das Auftreten eines latchup zu verhindern. Die voranste hend angegebene Verunreinigungskonzentration wird auch dazu verwendet, den Betriebswert der Schwellenspannung der Sperr schicht innerhalb eines Bereiches von 3 bis 6 V einzustellen. Wenn daher die Verunreinigungskonzentration in dem Graben 51 des p-Typs des Feldeffekttransistors 50 so eingestellt wird, daß sie für die Basisschicht 11 des p-Typs des Hauptkörpers 10 passend ist, so wird ihre Spannungsfestigkeit etwa 10 V betragen. Da es erforderlich ist, eine Gatespannung 104 von etwa 15 V an die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung anzulegen, um ihren Betrieb unter definierten Bedingungen sicherzustellen, arbeitet der Feldeffekttransistor nicht ord nungsgemäß, wenn seine Spannungsfestigkeit niedriger als 15 V ist. Darüber hinaus ist die Einstellung der Verunreinigungs konzentration in dem Graben 51 des p-Typs auf eine Konzen tration, die sich von der in der Basisschicht 11 des p-Typs unterscheidet, angesichts des Herstellungsverfahrens extrem nachteilig.

Der Grund für das zweite Problem liegt in der Tatsache, daß der Feldeffekttransistor, obwohl er vom Horizontaltyp ist, in demselben Chip vorgesehen ist, welcher den Hauptkörper 10 und den Überlastdetektor 20 aufnimmt. Daher existiert ein Thyri stor des Vertikaltyps mit einem pnpn-Aufbau, welcher das Sub strat 111 des p-Typs, die Pufferschicht 112 des n-Typs, die Epitaxieschicht 113 des n-Typs, den Graben 51 des p-Typs des Feldeffekttransistors, und die Drainschicht 55 des n-Typs umfaßt. Wenn daher der parasitäre Thyristor ausgeschaltet wird, während die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrich tung ausgeschaltet gehalten wird, so wird ein latchup auftreten. Da wenige Ladungs-Träger in der Epitaxieschicht 113 gemäß Fig. 7, in diesem Beispiel Löcher, dazu neigen, in die Senke 51 zu fließen, steigt das Potential in bezug auf die Drainschicht 55 an. Wenn die Drainklemme 106 und die Source klemme 107 auf dasselbe Potential gebracht werden, so wird der Übergang zwischen der Senke bzw. dem Graben 51 und der Drainschicht 55 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und daher kann der parasi täre Thyristor leicht eingeschaltet werden.

Der Grund für das dritte Problem liegt an der Tatsache, daß dann, wenn der Feldeffekttransistor 50 eingeschaltet wird und sich das Potential der gemeinsamen Sperrschicht 105 während des Überlastschutzbetriebes verringert, der durch den Über lastdetektor 20 fließende Strom abnimmt, wodurch der Span nungsabfall der Stromdetektoreinrichtung 40 abnimmt. Dies führt dazu, daß die Gatespannung des Feldeffekttransistors 50 abnimmt, während sein Einschaltwiderstand zunimmt und das Potential der Sperrschicht 105 ansteigt, wodurch der Strom in dem Hauptkörper erhöht wird. Wenn zum Zeitpunkt des Kurz schließens der Last der durch den Hauptkörper fließende Über laststrom groß ist, so wird dieser Mechanismus verstärkt, und es können Schwingungen auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende sperr schichtgesteuerte Halbleitervorrichtung so weiterzubilden, daß sie im Betrieb zuverlässig arbeitet und vor Zerstörung infolge von Überlast (latchup) sicher geschützt ist.

Diese Aufgabe wird von einer Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 5 und 9 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand meh rerer abhängiger Patentansprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestell ter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer sperrschichtgesteuerten Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Feldeffekt transistors, wie er bei der Erfindung ausgebildet sein kann;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild einer sperrschichtgesteuerten Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Feldeffekt transistors, wie er bei der Erfindung ausge bildet sein kann;

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild einer sperrschichtgesteuerten Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 die Signalform des Kollektorstroms in einem Hauptkörper, während der Strom zeitlich variiert, wenn ein Kurzschluß in der Last einer sperrschicht gesteuerten Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform nach Fig. 5 auftritt, sowie die Vergleichs-Signalform bei einer her kömmlichen Vorrichtung;

Fig. 7 eine Schnittansicht einer bekannten Halbleitervorrichtung;

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild einer sperrschichtgesteuerten Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen geschildert, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen erläutert sind. Wo immer mög lich werden dieselben Bezugsziffern bei sämtlichen Figuren verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen.

Nachstehend wird unter Bezug auf die Fig. 1 bis 5 die Erfindung be schrieben. Fig. 6 zeigt eine Strom-Signalform bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5, verglichen mit einer konventionellen Vorrich tung. Der allgemeine Aufbau einer sperrschichtgesteuerten Halbleitervorrichtung bei herkömmlichen Ausführungsformen ist in Fig. 7 gezeigt. Es wird angenommen, daß die sperrschichtge steuerte Halbleitervorrichtung bei allen diesen Formen ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (ein Sperr schicht-Bipolartransistor) ist.

Fig. 1 erläutert eine erste Ausführungsform anhand einer Er satzschaltung, welche der Darstellung in Fig. 8 entspricht. Der Unterschied zwischen den Fig. 1 und 8 besteht darin, daß anstelle eines konventionellen Widerstandes 65 eine Konstant spannungseinrichtung 61, wie beispielsweise eine Zenerdiode, und eine Schutzdiode 62 in Reihe zwischen einer Sperrschicht 105 (isoliertes Gate) und den Drain eines Feldeffekttransis tors 50 geschaltet sind. Die Sperrschicht 105 kommt zum ge meinsamen Einsatz bei einem Hauptschaltkreis 10 und einem Überlast detektor 20. Die Spannungsfestigkeit des Feldeffekttransis tors 50 bei dieser Ausführungsform kann so niedrig sein wie etwa 10 V, wogegen die Konstantspannungsein richtung 61 eine Avalanche- oder Zenerspannung von beispiels weise etwa 5 bis 10 V aufweisen kann. Weiterhin kann es bezüg lich der Konstantspannungseinrichtung 61 und der Schutzdiode 62 vorteilhaft sein, daß sie dadurch hergestellt werden, daß zunächst ein polykristalliner Siliziumfilm für den Gatefilm 115 von Fig. 5 mit Verunreinigungen dotiert wird, bevor er in die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung eingebaut wird.

Wenn eine positive Gatespannung 104 von etwa 15 V an einen Gateanschluß 102 angelegt wird, um die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung von Fig. 1 einzuschalten, so wird nur die sich aus dem nachstehenden Vorgang resultierende Spannung an den Feldeffekttransistor 50 angelegt. Diese Spannung wird dadurch erhalten, daß die Avalanche-Spannung der Konstant spannungseinrichtung 61 und die Vorwärtsspannung der Schutz diode 62 von der Gatespannung 104 abgezogen werden, und daß die Differenz durch den Ausschaltwiderstand des Feldeffekt transistors 50 und einen Gatewiderstand 30 geteilt wird. Da her ist der Feldeffekttransistor 50 trotz der niedrigen Span nungsfestigkeit bei der gezeigten Ausführungsform von einem Zusammenbruch geschützt und er kann in einem normalen Zustand benutzt werden. Wenn ein hoher Strom in den Hauptkörper 10 hinein fließt, wenn die Last kurzgeschlossen wird, wird der Span nungsabfall in der Stromdetektoreinrichtung 40, welche den Strom empfängt, der durch den Überlastdetektor 20 gelangt, an das Gate des Feldeffekttransistors 50 angelegt. Dann wird der Feldeffekttransistor 50 eingeschaltet, und dies führt da zu, daß die an die Sperrschicht 105 angelegte Spannung ver ringert wird.

Obwohl es wünschenswert ist, die Gatespannung 104 allmählich abklingen zu lassen, um die sperrschichtgesteuerte Halblei tervorrichtung von Fig. 1 abzuschalten, kann die Gatespannung 104 auch ins Negative umgeschaltet werden, um den Ausschalt zustand sicherzustellen. Selbst wenn die Gatespannung 104 einfach ausklingt, kann das Potential der Gateklemme 102 auf andere Weise in bezug auf eine Emitterklemme 101 negativ wer den, infolge der Reaktion einer induktiven Last, welche den Ausschaltvorgang begleitet. In diesen Fällen kann der Feld effekttransistor 50 eine Fehlfunktion erleiden (latchup). Die Schutzdiode 62 wird dafür verwendet, derartige Ereignisse zu verhindern, und den Stromfluß durch eine parasitäre Diode in dem Feldeffekttransistor 50 zu hin dern.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Feld effekttransistors 50 wie er bei der Erfindung verwirklicht sein kann.

Fig. 2 entspricht der linken Seite von Fig. 7. Dabei wird eine Drainschicht des n-Typs des Feldeffekttransistors 50 aus einer Verbundschicht gebildet, die aus einer Drainschicht 55 mit hoher Konzentra tion und einer Drainschicht 56 mit niedriger Verunreinigungs konzentration besteht. Die Drainschicht 55 mit hoher Konzen tration weist eine Verunreinigungskonzentration von zumindest 10¹⁹ Atomen/cm³ auf, und wird von der Drainschicht 56 mit geringer Verunreinigungskonzentration umschlossen, deren Ver unreinigungskonzentration etwa 10¹⁷ Atome/cm³ beträgt. Auf diese Weise wird die Spannungsfestigkeit des Feldeffekttran sistors 50 verbessert.

Die hoch konzentrierte Schicht 55 und die niedrig konzentrier te Schicht 56 sollten vorzugsweise auf eine Tiefe von etwa 0,5 µm bzw. etwa 1 µm diffundiert werden. Zwar können diese Schichten durch zwei Bearbeitungsschritte diffundiert werden, jedoch ist es vorteilhaft, sie gleichzeitig durch thermische Diffusion auf unterschiedliche Tiefen auszubilden. Die thermische Diffusion sollte erfolgen, nachdem Arsen- und Phosphor-Verunreinigungen jeweils in die hoch konzentrierte Schicht 55 und die niedrig konzentrierte Schicht 56 durch Ioneninjektion eingebracht wurden. Weiterhin wird bei dem Bei spiel gemäß Fig. 2 eine ähnliche Grabenverbindungsschicht 53 vom p-Typ mit hoher Verunreinigungskonzentration auf der Sei te der Drainschichten 55 und 56 in einem Graben 51 des p-Typs ausgebildet und mit einer Sourceklemme 107 verbunden.

Die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung kann dabei ähnlich ausgebildet werden, wie es in Fig. 8 oder in einer entsprechenden Ersatzschaltung ge zeigt ist, mit Ausnahme des Widerstands 65. Wenn eine Gate spannung 104 von etwa 15 V an die Gateklemme 102 von Fig. 8 angelegt wird, und wenn eine Spannung auf demselben Pegel zwi schen der Drainklemme 106 und der Sourceklemme 107 des Feld effekttransistors 50 angelegt wird, so wird die Spannungs festigkeit des Feldeffekttransistors 50 wesentlich verbessert.

Die der Spannungsfestigkeit entsprechende Spannung nimmt ei nen Wert von 15 V oder mehr an, während sich eine Verarmungs schicht in der Drainschicht 56 mit niedriger Konzentration erstreckt, infolge des Übergangs zwischen dem Graben 51 des p-Typs und der Drainschicht 56 des n-Typs mit niedriger Kon zentration. Dies tritt sogar auf, obwohl der Graben 51 eine relativ hohe Verunreinigungskonzentration von etwa 10¹⁷ Ato men/cm³ oder mehr aufweist.

Die Grabenverbindungsschicht 53 dient dazu, zu verhindern, daß der pn-Übergang mit der Drainschicht 56 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, und dient daher dazu zu verhindern, daß latchup auftritt, wenn das Potential des Grabens 51 ansteigt, und zwar dadurch, daß die von der Epitaxieschicht 113 in den Graben 51 fließenden Löcher die Drainschichten 55 und 56 umgehen, während die sperrschichtgesteuerte Halbleiter vorrichtung ausgeschaltet gehalten wird.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ersatz schaltbildes. Während die sperrschichtgesteuerte Halbleiter vorrichtung ausgeschaltet gehalten wird, wird ein Verriegeln (latchup) durch die Schutzdiode 62 verhindert. Den Unterschied zwischen der Ersatzschaltung von Fig. 3 und dem Stand der Technik von Fig. 8 bildet die Einfügung der Schutzdiode 62, wie voranste hend unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, anstelle des Widerstandes 65 zwischen dem Feldeffekttransistor 50 und der Sperrschicht 105. Weitere Unterschiede sind die Verbindung einer Schutzdiode 63 zwischen der Sperrschicht 105, dem Über lastdetektor 20, und dem Stromdetektor 40, und die Verbindung einer Diode 64 zwischen dem Stromdetektor 40 und der Emitter klemme 101.

Wenn eine negative Gatespannung 104 an die Gateklemme 102 an gelegt wird, um die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrich tung auszuschalten, so kann infolge der Fehlfunktion des Feldeffekttransistors 50 eine Verriegelung (latchup) erfolgen. Alterna tiv hierzu kann eine Verriegelung durch die Fehlfunktion des Feldeffekttransistors 50 dann hervorgerufen werden, wenn das Potential der Emitterklemme 101 höher wird als das der Gate klemme 102, infolge der Reaktion der induktiven Last, wenn die Vorrichtung durch allmähliche Abnahme der Gatespannung 104 ausgeschaltet wird. Durch Umleitung des Stroms, der von dem Überlastdetektor 20 zu der Stromdetektoreinrichtung 40 fließt, an die Gateklemme 102 verhindert die Schutzdiode 63 das Auftreten einer Verriegelung, wenn der Feldeffekttran sistor 50 fälschlicherweise eingeschaltet wird. Die Diode 64 wird dann dazu eingesetzt zu verhindern, daß irgendein unerwünschter Strom von der Emitterklemme 101 über die Stromdetektor einrichtung 40, die Schutzdiode 63, und den Gatewiderstand 30 zu der Gateklemme 102 fließt.

Wie unmittelbar deutlich wird, sind nicht beide Schutzdioden 62 und 63 unbedingt bei dieser Ausführungsform erforder lich. Es reicht aus, entweder die Schutzdiode 62 oder die Schutzdiode 63 zur Verfügung zu stellen, um ein Verriegeln in einem gewissen Ausmaß zu verhindern. Die Diode 64 kann je nach Erfordernis vorgesehen werden.

Fig. 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Feldeffekt transistors 50 wie er bei der Erfindung verwirklicht sein kann. Um eine Verriegelung zu verhindern, ist eine Schutzringschicht 57 auf solche Weise vorgesehen, daß sie den Graben 51 des Feld effekttransistors 50 umgibt. Die Schutzringschicht 57 ist von demselben p-Typ wie die des Grabens 51 und kann gleich zeitig mit dem Graben 51 mittels Diffusion ausgebildet wer den. Vorzugsweise wird auf der Oberfläche eine Schutzringver bindungsschicht 58 des p-Typs mit hoher Verunreinigungskon zentration diffundiert. In dem Beispiel gemäß Fig. 4 wird die Grabenverbindungsschicht 53 auf der Seite der Drainschicht 56 des Grabens 51 ausgebildet, wie in dem Fall gemäß Fig. 2. Die Grabenverbindungsschicht 53 und die Schutzringverbindungs schicht 58 sind vom selben p-Typ und können gleichzeitig dif fundiert werden. Die Grabenverbindungsschicht 53 und die Schutzringverbindungsschicht 58 sind beide mit der Source klemme 107 verbunden, wie in Fig. 4 gezeigt ist.

Während die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung aus geschaltet gehalten wird, nimmt die Zuflußmenge von Löchern ab, die von der Epitaxieschicht 113 zum Graben 51 fließen, während sie zu der Schutzringschicht 57 umgeleitet werden. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, werden die Löcher, die in den Graben 51 geflossen sind, zu der Grabenverbindungsschicht 53 gezogen. Daher wird die Menge an Löchern, welche in die Drainschicht 55 eintritt, wesentlich verringert. Dies führt dazu, daß der Übergang zwischen dem Graben 51 und der Drainschicht 55 daran gehindert wird, wesentlich in Vorwärtsrichtung vorgespannt zu werden. Daher wird gemäß dieser Ausführungsform eine Verrie gelung wirksam verhindert. Wenn darüber hinaus der Abstand 105 zwischen dem Graben 51 des Feldeffekttransistors 50 und der Basisschicht 21 des Überlastdetektors 20 entsprechend auf dieselbe Länge oder geringfügig darüber gesetzt wird wie die Diffusionslänge von Löchern als eine kleine Anzahl von Trä gern in der Epitaxieschicht 113, so wird eine Verriegelung vollständig verhindert.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung in Form einer Ersatzschaltung. In dieser Ausführungsform wird eine Ladungsdiode verwendet, um eine Schwingung zu verhindern, die dann zum Auftreten neigt, wenn die Last der sperrschicht gesteuerten Halbleitervorrichtung kurzgeschlossen wird. Den Unterschied zwischen der Ersatzschaltung von Fig. 5 und dem Stand der Technik gemäß Fig. 8 bildet die Einfügung der La dungsdiode 65, die zwischen die Stromdetektoreinrichtung 40 und das Gate des Feldeffekttransistors 50 geschaltet ist. In dem Beispiel gemäß Fig. 5 ist ein Entladungswiderstand 56 mit hohem Widerstandswert parallel zur Ladungsdiode 65 geschaltet, und die Schutzdiode 62 ist zwischen den Feldeffekttransistor 50 und die Sperrschicht (das isolierte Gate) IG geschaltet, wie in dem Fall gemäß Fig. 3.

Während sich die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung in dem normalen Einschaltzustand befindet, wobei die Gatespan nung Vg an die Gateklemme G angelegt ist, verursacht die Stromdetektoreinrichtung 40 das Auftreten eines leichten Span nungsabfalls infolge des Stroms, der von dem Überlastdetektor 20 her fließt. Darüber hinaus leitet die Ladungsdiode 65 nicht nur, sondern liefert den Spannungsabfall an das Gate des Feld effekttransistors 50. Wenn dann die Last der sperrschichtge steuerten Halbleitervorrichtung beispielweise kurzgeschlos sen wird, worauf ein hoher Kollektorstrom Ic durch den Haupt körper 10 fließt, nimmt der von dem Überlastdetektor 20 in die Stromdetektoreinrichtung 40 fließende Strom entsprechend zu. Da der Spannungsabfall ebenfalls zunimmt, empfängt der Transistor 50 sofort den hohen Spannungsabfall über die Ladungsdiode 65 an seinem Gate und wird eingeschaltet. Daher verringert der Feldeffekttransistor mit dem niedrigen Ein schaltwiderstand das Potential der Sperrschicht IG und ver ringert gleichzeitig den Kollektorstrom Ic, der in den Haupt körper 10 hineinfließt.

Der Strom von dem Überlastdetektor 20, der von der Strom detektoreinrichtung 40 empfangen wird, nimmt entsprechend ab, und die Ladungsdiode 65 empfängt das Gatepotential des Feldeffekttransistors 50 in der Sperr-Vorspannungsrichtung und arbeitet so, daß sie eine Entladung verhindert. Dies führt dazu, daß der Feldeffekttransistor 50 in einen Zu stand kommt, in welchem das Gate geladen bleibt und das Potential der Sperrschicht IG auf niedrigen Pegeln hält, mit einem niedrigen Einschaltwiderstand, und den Kollektorstrom Ic in dem Hauptkörper 10 begrenzt. Da in diesem Fall die La dungsdiode 65 einen gewissen Leckstrom in Gegenrichtung zu läßt, wird das Gate des Feldeffekttransistors allmählich ent laden. Der Ladungszustand wird jedoch ausreichend aufrecht erhalten, um den Kollektorstrom Ic zu begrenzen. Der Leck strom der Ladungsdiode 65 in Gegenrichtung kann sich immer noch ändern, und es ist erforderlich, das Gatepotential des Feldeffekttransistors 50 auf sichere Weise in den Original zustand zurückzuführen, nachdem der Überlastzustand des Haupt körpers 10 beseitigt ist. Daher ist es wünschenswert, daß der Entladungswiderstand 66 parallel zur Ladungsdiode 65 geschal tet ist, wie bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform dar gestellt ist. Der Widerstand des Entladungswiderstandes 66 sollte vorzugsweise so hoch sein, daß er einige Hundert Kilo ohm bis einige Megaohm beträgt.

Fig. 6 zeigt die Signalform des Kollektorstroms Ic in dem Hauptschalt kreis bzw. Hauptkörper 10, während er sich zeitlich ändert, nachdem die Last bei der vorstehenden Ausführungsform kurzgeschlossen wurde. Als Bezugsgrößen sind ebenfalls Signalformen B und C gezeigt für Fälle, in welchen der Kollektorstrom Ic schwingt, bzw. wenn er nicht begrenzt ist, wie beim Stand der Technik gemäß Fig. 7. Zunächst wird die Signalform C beschrieben. Der Kol lektorstrom Ic steigt steil an, nachdem ein Kurzschluß auf getreten ist zu einem Zeitpunkt t0, und fällt dann allmählich geringfügig ab, wie bei C1 gezeigt ist, unter dem Einfluß des erhitzten Kanalabschnitts und dergleichen. Daraufhin nimmt der Strom wieder plötzlich zu, wie bei C2 gezeigt ist, nach dem eine Verriegelung an einem Punkt X in Fig. 6 auftritt, und veranlaßt daher einen Zusammenbruch.

In dem Falle der Signalform B, in welchem die Last ohne die Bereitstellung der Ladungsdiode 65 von Fig. 5 kurzgeschlossen wird, wird der Feldeffekttransistor 50 eingeschaltet, wenn der Kollektorstrom den Wert It in Fig. 6 erreicht. Normaler weise tritt dies 1 bis 2 µS nach t0 auf, so daß das Potential der Sperrschicht IG verringert wird, wodurch der Kollektor strom Ic nach dem ersten Spitzenwert Ip abnimmt. Allerdings wird auch der Spannungsabfall der Stromdetektoreinrichtung 40 gleichzeitig verringert, und das Gate des Feldeffekttransis tors wird entladen, wodurch der Einschaltwiderstand vergrößert wird. Daher wird das Potential der Sperrschicht IG erhöht, so daß der Kollektorstrom Ic wiederum ansteigt. Der Kollektor strom Ic wiederholt den Anstiegs- und Abfallvorgang mit einer Periode von einigen Mikrosekunden (µS) und führt so zu der Schwingungssignalform B. Diese Schwingung entwickelt sich nor malerweise zu einer oszillierenden, gedämpften Signalform, wie in Fig. 6 gezeigt ist, und ihr Wert wird schließlich sta bil, wie durch Is gezeigt ist. Jedoch nimmt der hohe Strom bei I1-I4 einen Spitzenwert an und beschädigt so die sperr schichtgesteuerte Halbleitervorrichtung beträchtlich.

Im Falle der Signalform A bei der obigen Ausführungsform setzt der Kollektorstrom Ic seinen Anstieg bis zu It fort, und nach dem Einschalten des Feldeffekttransistors 50 wird der Ladungszustand des Gates wie voranstehend beschrieben gehalten, um die Sperrschicht Ig auf niedrigen Potential pegeln zu halten. Daher nimmt der Kollektorstrom Ic schnell bis auf den stabilisierten Strom Is ab, nachdem er den er sten Spitzenwert Ip erreicht hat, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Der durch den Hauptkörper 10 der sperrschichtgesteuerten Halbleitervorrichtung fließende Kollektorstrom Ic wird daran gehindert, zu dem Zeitpunkt zu schwingen, an welchem die Last kurzgeschlossen wird. Daher wird gemäß dieser Ausführungsform die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrich tung auf sichere Weise geschützt.

Wie voranstehend ausgeführt wurde, ist jede der beschriebe nen Ausführungsformen dazu geeignet, bei einer sperrschicht gesteuerten Halbleitervorrichtung als ein diskretes Element zu dienen, welches eine Spannungsfestig keit von mehreren Hundert Volt und eine Stromkapazität von mehreren zehn Ampere aufweist. Darüber hinaus können sämtli che Dioden 61-65 und der Entladungswiderstand 66 in den Chip einer derartigen sperrschichtgesteuerten Halbleitervor richtung integriert werden. Da der Entladungswiderstand 66 ei nen größeren Widerstand aufweist, sollte er vorzugsweise auf demselben Film aus polykristallinem Silizium vorgesehen wer den, der für den Gatefilm 5 verwendet wurde.

Bei der ersten Ausführungsform ist die Konstantspannungsein richtung 61 zwischen dem Feldeffekttransistor 50 und der Sperrschicht 105 eingefügt, um den Feldeffekttransistor 50 mit einer Spannung zu versorgen, die sich vom Abfall der Gate spannung 104 ergibt, die an die Gateklemme 102 angelegt wird. Daher kann der Feldeffekttransistor 50, der eine Spannungs festigkeit aufweist, die niedriger als die Gatespannung 104 ist, in die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung ein gebaut werden. Daher läßt sich der Herstellungsvorgang für die sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung dadurch er leichtern, daß man es zuläßt, daß der Graben des Feldeffekt transistors eine Verunreinigungskonzentration aufweist, die so relativ hoch ist wie die in der Basisschicht des Hauptkör pers.

Gemäß Fig. 2 ist die Drainschicht des Feldeffekttransistors 50 so aufgebaut, daß die Drainschicht aus einer Verbundschicht hergestellt wird, wobei eine Schicht 55 mit hoher Konzentration in einer Schicht 56 mit niedriger Konzentration eingeschlossen ist. Die Spannungsfestigkeit des Feldeffekttransistors wird dadurch verbessert, daß man eine Verarmungsschicht sich auf einfache Weise in der Schicht mit niedriger Konzentration ausbreiten läßt, während der Feld effekttransistor ausgeschaltet gehalten wird. Die Verbund- Drainschicht wird auf einfache Weise durch thermische Diffu sion mit Verunreinigungen gebildet, zur Verwendung in einer Schicht mit niedriger Konzentration, wobei die Verunreinigun gen zur Verwendung in einer niedrig konzentrierten Schicht eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit aufweisen als Verunrei nigungen für diesen Zweck in einer hochkonzentrierten Schicht.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist die Schutzdiode 62 zwi schen dem Gate des Feldeffekttransistors 50 und der Sperr schicht 105 eingefügt und wird zum Leiten veranlaßt, wenn ei ne Spannung, die den Hauptkörper 10 abschaltet, an die Sperr schicht 105 angelegt wird, um zu verhindern, daß der Feld effekttransistor 50 eine Fehlfunktion zeigt. Daher wird das Auftreten einer Verriegelung verhindert, während die sperr schichtgesteuerte Halbleitervorrichtung ausgeschaltet gehal ten wird.

Gemäß Fig. 4 ist der Feldeffekttransistor 50 von der Schutzringschicht 57 umschlossen, um zu erreichen, daß der parasitäre Thyristor kaum jemals ausgeschaltet wird, durch Umleitung von Trägern, die in den Graben 51 fließen, zu der Schutzringschicht 57, um so eine Verriegelung des Feld effekttransistors zu verhindern.

Gemäß Fig. 5 wird der durch die Strom detektoreinrichtung auftretende Spannungsabfall über die La dungsdiode dem Feldeffekttransistor nur in der Richtung zuge führt, in welcher das Gate geladen wird. Der Strom wird ein mal in dem Hauptkörper begrenzt, und es wird verhindert, daß der Strom wiederum ansteigt, um so unnötige Schwingungen da durch zu verhindern, daß eine schnelle Entladung am Gate des Feldeffekttransistors behindert wird. Dies wird dadurch er zielt, daß die Ladungsdiode dazu verwendet wird, das Poten tial der Sperrschicht auf niedrigen Pegeln zu halten, wenn der von dem Überlastdetektor in die Stromdetektoreinrichtung fließende Strom abnimmt. Wenn der Spannungsabfall verringert wird, erniedrigt sich daher das Potential der Sperrschicht, während der Feldeffekttransistor eingeschaltet gehalten wird. Auf diese Weise wird die sperrschichtgesteuerte Halbleiter vorrichtung auf sichere Weise geschützt.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gemäß der Fig. 1 bis 5 lassen sich auch in Kombination verwirk lichen, um eine sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die im Betrieb zuverlässig arbeitet und vor Überlast (latch up) sicher geschützt ist.

Claims

1. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung umfassend:
einen Hauptschaltkreis (10), der von einer, einen Gatewider stand (30) aufweisenden Sperrschicht (105) steuerbar ist;
einen Überlastdetektor (20), der gemeinsam mit dem Hauptschalt kreis (10) die Sperrschicht (105) nutzt und im wesentlichen denselben Aufbau wie der Hauptschaltkreis (10) besitzt;
eine Stromdetektoreinrichtung zur Ermittlung des durch den Überlastdetektor (20) fließenden Stromes;
einen Feldeffekttransistor (50), der ein Gate (102) aufweist, wobei das Gate eine, dem Spannungsabfall der Stromdetektorein richtung (40) entsprechende Spannung empfängt;
wobei der Hauptschaltkreis (10) durch Erniedrigen der über den Gatewiderstand (30) und den Einschaltwiderstand des Feldeffekt transistors (50) an die Sperrschicht (105) angelegten Spannung im Einschaltzustand des Feldeffekttransistors geschützt wird,
gekennzeichnet durch eine Konstantspannungseinrichtung, die zwischen den Feld effekttransistor (50) und der Sperrschicht (105) angeordnet ist (Fig. 1).

2. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stromdetektoreinrichtung einen Widerstand (40) aufweist.

3. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Konstantspannungseinrichtung eine Zener diode (61) aufweist.

4. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekt transistor (50) ein Gate (102) und einen Drain (106) aufweist, wobei das Gate eine Spannung empfängt, die dem Spannungsabfall der Stromdetektoreinrichtung entspricht und der Drain (106) mit der Sperrschicht (105) verbunden ist und aus einer Verbundschicht besteht, die aus einer Schicht (55) hoher Kon zentration und aus einer, diese umgebende Schicht (56) niedri ger Konzentration gebildet wird.

5. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung umfassend:
einen Hauptschaltkreis (10), der von einer, einen Gatewider stand (30) aufweisenden Sperrschicht (105) steuerbar ist;
einen Überlastdetektor (20), der gemeinsam mit dem Hauptschalt kreis (10) die Sperrschicht (105) nutzt und im wesentlichen denselben Aufbau wie der Hauptschaltkreis (10) besitzt;
eine Stromdetektoreinrichtung zur Ermittlung des durch den Überlastdetektor (20) fließenden Stromes;
einen Feldeffekttransistor (50), der ein Gate (102) aufweist, wobei das Gate eine, dem Spannungsabfall der Stromdetektorein richtung entsprechende Spannung empfängt;
wobei der Hauptschaltkreis (10) durch Erniedrigen der über den Gatewiderstand (30) und den Einschaltwiderstand des Feldeffekt transistors (50) an die Sperrschicht (105) angelegten Spannung im Einschaltzustand des Feldeffekttransistors geschützt wird,
gekennzeichnet durch eine Schutzdiode (63), die zwischen dem Gate des Feldeffekttransistors (50) und der Sperrschicht (105) eingefügt ist, wobei die Schutzdiode zum Leiten veranlaßt wird, wenn eine Spannung mit einer Polarität, welche den Hauptschalt kreis (10) sperrt, an die Sperrschicht (105) angelegt wird (Fig. 3).

6. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdetektoreinrichtung einen Widerstand (40) aufweist.

7. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekt transistor (50) ein Gate (102) und einen Drain (106) aufweist, wobei das Gate eine Spannung empfängt, die dem Spannungsabfall der Stromdetektoreinrichtung (40) entspricht und der Drain (106) mit der Sperrschicht (105) verbunden ist und aus einer Verbundschicht besteht, die aus einer Schicht (55) hoher Kon zentration und aus einer, diese umgebende Schicht (56) niedri ger Konzentration gebildet wird.

8. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich net, daß der Feldeffekttransistor (50) von einer Schutzring schicht (57) umschlossen ist, um Ladungs-Träger, die in einen Graben des Feldeffekttransistors fließen, abzuzweigen, wobei die Schutzringschicht (57) und der Feldeffekttransistor (50) vom selben Leitfähigkeitstyp sind.

9. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung umfassend:
einen Hauptschaltkreis (10), der von einer, einen Gatewider stand (30) aufweisenden Sperrschicht (105) steuerbar ist;
einen Überlastdetektor (20), der gemeinsam mit dem Hauptschalt kreis (10) die Sperrschicht (105) nutzt und im wesentlichen denselben Aufbau wie der Hauptschaltkreis (10) besitzt;
eine Stromdetektoreinrichtung zur Ermittlung des durch den Überlastdetektor (20) fließenden Stromes;
einen Feldeffekttransistor (50), der ein Gate (102) aufweist, wobei das Gate eine, dem Spannungsabfall der Stromdetektorein richtung (40) entsprechenden Spannung empfängt;
wobei der Hauptschaltkreis (10) durch Erniedrigen der über den Gatewiderstand (30) und den Einschaltwiderstand des Feldeffekt transistors (50) an die Sperrschicht (105) angelegte Spannung im Einschaltzustand des Feldeffekttransistors geschützt wird,
gekennzeichnet durch eine Ladungsdiode (65), welche zwischen der Stromdetektorein richtung und dem Gate (102) des Feldeffekttransistors (50) verbunden ist (Fig. 5).

10. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdetektoreinrichtung einen Widerstand (40) aufweist.

11. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Feld effekttransistor (50) ein Gate (102) und einen Drain (106) aufweist, wobei das Gate eine Spannung empfängt, die dem Span nungsabfall der Stromdetektoreinrichtung (40) entspricht und der Drain (106) mit der Sperrschicht (105) verbunden ist und aus einer Verbundschicht besteht, die aus einer Schicht (55) hoher Konzentration und aus einer diese umgebende Schicht (56) niedri ger Konzentration gebildet wird.

12. Sperrschichtgesteuerte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entladungs widerstand (66) parallel zur Ladungsdiode (65) geschaltet ist.