DE69031796T2 - Leistungshalbleiteranordnung vom Drucktyp - Google Patents

Leistungshalbleiteranordnung vom Drucktyp

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauteil in Crimp-Technik, welches einen legierungsfreien Aufbau aufweist, in welchem ein Halbleitersubstrat und ein Elektrodenelement nicht gelötet sind, und welches zur Verwendung als über das Gate abschaltbarer (GTO) -Thyristor, als rückwärts sperrender Trioden-Thyristor (SCR) oder als Leistungstransistor geeignet ist.
  • Ein Halbleiterbauteil in Crimp-Technik wie z.B. ein über das Gate abschaltbarer Thyristor (nachstehend als GTO-Thyristor bezeichnet), ein rückwärts sperrender Trioden-Thyristor (SCR) oder ein Leistungstransistor wird im allgemeinen als Leistungssteuerelement eingesetzt. Ein solches dem Anwender bekanntes Halbleiterbauteil wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert, wobei ein Anodenschluß-GTO- Thyristor als Beispiel verwendet wird. In den nachstehenden Beschreibungen werden der p- und n-Leitfähigkeitstyp als der erste bzw. zweite Leitfähigkeitstyp bezeichnet.
  • Gemäß Fig. 1 wird ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat 1 durch abwechselndes Aufeinanderstapeln von Halbleiterschichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps hergestellt. Insbesondere besteht das Halbleitersubstrat aus Emitter schichten la ersten Leitfähigkeitstyps, einer Basisschicht 1b zweiten Leitfähigkeitstyps, einer Basisschicht 1c ersten Leitfähigkeitstyps und Emitterschichten 1d zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die Halbleiterschichten la bis ld in der erwähnten Reihenfolge von der Seite der ersten Hauptoberfläche 2 (d.h., der Bodenseite) zu der Seite der zweiten Hauptoberfläche 3 (d.h., der Oberseite) angeordnet sind. Die erste Hauptoberfläche dient als ein Anodenbereich eines Halbleiterelementes, welches auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet werden soll. In der Ebene der ersten Hauptoberfläche 2 liegen die Emitterschichten la ersten Leitfähigkeitstyps und die Basisschichten 1b zweiten Leitfähigkeitstyps frei und erzeugen damit eine kurzgeschlossene Struktur. Die Emitterschichten 1d zweiten Leitfähigkeitstvps stehen aus der zweiten Hauptoberfläche 3 nach oben und erzeugen dadurch eine sogenannte Mesa- Struktur.
  • Gemäß Darstellung in Fig. 1 ist eine zweite Hauptelektrode 4 auf der Oberseite jeder Emitterschicht 1d zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet. Eine Steuerelektrode 5 (d.h., ein Gate-Elektrode) ist auf denjenigen Oberflächenabschnitten der Basisschicht 1c ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, welche zwischen benachbarten Emitterschichten 1d zweiten Leitfähig keitstyps liegen.
  • Eine erste Hauptelektrode 6, beispielsweise aus Aluminium bestehend, ist auf der ersten Hauptoberfläche 2 des Halblei tersubstrates 1 ausgebildet, und erzeugt dadurch eine sogenannte Anodenschluß-Struktur
  • Gemäß Darstellung in Fig. 1 ist ein zweites Elektrodenelement 7E bezogen auf die zweiten Hauptelektroden 4 in einem legierungsfreien Zustand angeordnet. Ebenso ist ein erstes Elektrodenelement 8 bezogen auf die erste Hauptelektrode 6 in einem legierungsfreien Zustand angeordnet. Das zweite Elektrodenelement 7E besteht aus einer Temperaturkompensationsplatte 9 (d.h., ein Pufferplatte gegen Erwärmung) und einer dünnen Weichmetallplatte 10. Die Temperaturkompensationsplatte 9 besteht aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt dessen wärmeausdehnungskoeffizient nahezu gleich dem von Si ist. Sie besteht beispielsweise aus W oder Mo. Die dünne Weichmetallplatte 10 besteht aus einem weichen Metall, wie z.B. Al, Ag oder Cu. Die Temperaturkompensationsplatte 9 und die dünne Weichmetallplatte 10 stehen miteinander in Kontakt, und die dünne Weichmetallplatte 10 steht auch mit den zweiten Hauptelektroden 4 in Kontakt. Im übrigen muß die dünne Weichmetallplatte 10 keine einschichtige Struktur sein; sie kann auch eine aus mehreren Filmen laminierte Struktur sein.
  • Das erste Elektrodenelement 8 besteht aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt dessen Wärmeausdehnungskoeffizient nahezu gleich dem von Si ist. Es besteht beispielsweise aus W oder Mo. Es wird mit der ersten Hauptelektrode 6 in Kontakt gehalten. Ein erster Elektrodenpfosten 11 und ein zweiter Elektrodenpfosten 12, wovon jeder aus Cu besteht, sind so über das erste Elektrodenelement 8 bzw. die Temperaturkompensationsplatte 9 gelegt, daß das Halbleitersubstrat in einem stark zusammengepreßten Zustand gehalten wird. In Fig. 1 sind der erste und zweite Elektrodenpfosten 11 und 12 mit Durchmessern dargestellt, die im wesentlichen zu denjenigen der Temperaturkompensationsplatten 8 und 9 gleich sind. Im allgemeinen sind jedoch die Durchmesser des ersten und zweiten Elektrodenpfostens 11 und 12 so festgelegt, daß sie gleich oder kleiner als der Durchmesser des Halbleitersubstrates 1 sind.
  • Zur zufriedenstellenden Ausführung des stark zusammengepreßten Zustandes des Substrates 1 besteht das zweite Elektrodenelement 7E wie vorstehend erwähnt aus zwei Platten (nämlich der Temperaturkompensationsplatte 8 und der dünnen Weichmetallplatte 10). Zusätzlich ist der zweite Elektrodenpfosten 11 so ausgeführt daß er eine sich von dem ersten Elektrodenpfosten 11 unterscheidende Form in der Weise aufweist, daß ein Federelement 13 und ein Gate-Leitungsabschnitt 14 (welche beide später noch erläutert werden) vorgesehen werden kann.
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist der zweite Elektrodenpfosten einen Stufenabschnitt auf, welcher durch teilweises Ausschneiden des Pfostens 12 von der Mitte zu dem Umfang hin ausgebildet wird. Ein Isolationselement 15 ist an der Stelle des Stufenabschnittes angeordnet, welcher der Steuerelektrode 5 entspricht. Eine Ausrichtungsführung 16 ist an beiden Enden des Isolationselementes 15 angeordnet. An einem Ende des Gate-Leitungsabschnittes 14 ist ein leitendes Element 17 angeordnet, dessen Größe abhängig von der Steuerelektrode 5 bestimmt wird. Das leitende Element 17 weist einen geraden Abschnitt 18 mit kleinem Durchmesser auf, welcher sich gerade nach oben erstreckt, und eine Verlängerungsabschnitt 19, welcher im rechten Winkel zu dem geraden Abschnitt 18 abgebogen ist und welcher sich zu der Außenseite des Bauteils durch eine Umhüllung 19-B hindurch (welche aus Keramik oder dergleichen besteht) ausgebildet ist. An dem anderen Ende des Gate-Leitungsabschnittes 14 ist eine auf die auf die Umhüllung 19-B gelötete metallische Hülse 19-A vorgesehen. Durch diese metallische Umhüllung 19-A hindurch wird der Gate-Leitungsabschnitt 14 nach außen geführt. Damit das Halbleitersubstrat 1 (welches zwischen dem zweiten Elektrodenelement 7E und dem ersten Elektrodenelement 8 eingeschlossen ist) mit einem vorbestimmten Druck gepreßt wird, ist das Federelement 13 an dem Isolationselement 15 befestigt. Eine Schraubenfeder, Scheibenfeder oder dergleichen wird als das Federelement 13 verwendet.
  • Die Seitenkanten des Halbleitersubstrats 1 sind angeschrägt. Nach der Unterwerfung unter eine Ätzbehandlung werden die angeschrägten Oberflächen mit Silikonharz 19-C zwecks Einkapselung abgedeckt. Zum Schluß werden die Flansche des ersten und zweiten Elektrodenpfostens 11 und 12 mit der Umhüllung 19-B durch Löten verbunden und dadurch die Herstel lung des Anodenschluß-GTO-Thyristors abgeschlossen.
  • Fig. 2A ist ein Teildraufsicht auf die zweite Hauptoberfläche 3 des Halbleitersubstrats 1 und stellt in konzeptioneller Form die Lagebeziehungen zwischen den zweiten Hauptelektroden 4 (dargestellt mit durchgezogenen Linien) und dem zweiten Elektrodenpfosten 12 (dargestellt durch unterbrochenen Linien) dar. Wie aus Fig. 2A zu ersehen ist, sind die zweiten Hauptelektroden 4 auf den entsprechenden Emitterschichten 1d zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, welche auf der Basisschicht 1c ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist.
  • Fig. 2B stellt einen Fall dar, bei dem die zweiten Hauptelektroden 4 parallel zueinander angeordnet sind. Wie Fig. 2A ist Fig. 2B eine Teildraufsicht auf die zweite Hauptoberfläche 3 des Halbleitersubstrats 1 und stellt in konzeptueller Form die Lagebeziehungen zwischen den zweiten Hauptelektroden 4 (dargestellt mit durchgezogenen Linien) und dem zweiten Elektrodenpfosten 12 (dargestellt durch unterbroche nen Linien) dar. Im übrigen bezeichnet das Bezugszeichen x diejenigen Abschnitte der zweiten Hauptelektroden 41 welche sich außerhalb des Bereichs des zweiten Elektrodenpfostens 12 befinden.
  • Gemäß Darstellung in Fig. 1 ist der zweite Elektrodenpfosten 12 mit einem Fasenabschnitt 12A versehen. Dieser Fasenabschnitt 12A ist in einem vorbestimmten Neigungswinkel an dem Umfang der Oberfläche ausgebildet, welche mit dem zweiten Elektrodenelement 7E in Kontakt steht. Wenn der zweite Elektrodenpfosten 12 mit dem dazwischenliegenden zweiten Elektrodenelement 7E stark gegen die zweiten Hauptelektroden 4 gepreßt wird, verhindert der Fasenabschnitt 12A die Ausübung stark unterschiedlicher Kräfte auf die Endabschnitte der zweiten Hauptelektroden 4.
  • In dem in Fig. 1 dargestellten GTO-Thyristor 1 weist der zweite Elektrodenpfosten 12 keine zufriedenstellende Wärmestrahlungseigenschaft an denjenigen Bereichen auf, welche nicht mit dem dazwischenliegenden Elektrodenelement 7E gegen die zweiten Hauptelektroden 4 gepreßt werden, d.h., an den mit den Bezugszeichen x in Fig. 2A und 2B bezeichneten Bereichen.
  • Zusätzlich tritt in dem Fall, bei dem der zweite Elektrodenpfosten 12 und die zweiten Hauptelektroden 4 in der in Fig. 2A und 28 dargestellten Art angeordnet und positioniert sind, ein Stromfluß in konzentrierter Form an den Enden der Bereiche auf, auf welche eine starke Kraft ausgeübt wird. Demzufolge verschlechtert sich die Fähigkeit einem Stoßstrotn, einem übermäßigen Betrag eines Abschaltstroms usw. zu widerstehen.
  • Insbesondere werden die zweiten Hauptelektroden 4 nur zum Teil von dem zweiten Elektrodenpfosten 12 angepreßt. Mit anderen Worten: die zweiten Hauptelektroden 4 enthalten diejenigen Abschnitte, welche nicht von dem zweiten Elektrodenpfosten 12 gepreßt werden. Aufgrund des Vorliegens solcher Abschnitte fließt der in dem Halbleitersubstrat 1 erzeugte Strom in konzentrierter Form in die Endabschnitte des zweiten Elektrodenpfostens 12 und erhöht damit den elektrischen Widerstand der Endabschnitte. Ferner wird die in dem Halbleitersubstrat 1 erzeugte Wärme an die Endabschnitte des zweiten Elektrodenpfostens 12 übertragen. Demzufolge steigt der Wärmewiderstand des in Fig. 1 dargestellten Bereichs Y an, was zu einer unzureichenden Wärmestrahlung führt.
  • Wie aus dem Vorstehenden erkennbar ist, wird Wärme in konzentrierter Form in dem Bereich Y erzeugt, wenn der GTO- Thyristor abgeschaltet wird. Somit kann es geschehen, daß der GTO-Thyristor aufgrund der Erzeugung eines solchen heißen Punktes in dem Halbleitersubstrat beschädigt wird.
  • Die Europäische Patentanmeldung EP-A-0 098 175 betrifft ein Halbleiterbauteil mit Druckkontaktechnik mit einer Anzahl sich radial erstreckender fingerartiger Inselbereiche, die nahe auf einem Halbleitersubstrat zusammenliegen und sich von dessen zentralen Teil zu dessen Umfangsteil hin erstrecken. Die Radialrichtungslänge der Halbleiterschichten in der Nähe des zentralen Teils ist kürzer als diejenige der in dem Um fangsteil, was auf das Reduzieren des Auftritts von Kathoden/Gate-Kurzschlüssen abzielt. Ebenso kann gemäß vorstehender Erläuterung ein derartiges Bauteil auch aufgrund der Erzeugung eines heißen Punktes in dem Halbleitersubstrat 1 beschädigt werden.
  • Die Japanische Patentanmeldung JP-A-58 169 972, veröffentlicht am 10. Januar 1984, betrifft einen Abschaltthyristor (GTO-Thyristor) und zielt auf die Reduzierung der Anfangswerte eines Abfallstroms unter Erzwingung eines Anstiegs der Einschaitzeiten und Spannungsabfälle mittels eines Verfahrens ab, bei dem die Minoritätsträger einer N-Basisschicht unter den Gate-Elektroden auf ein Minimum reduziert wird.
  • Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauteil in Crimp-Technik mit einer legierungsfreien Struktur bereitzustellen, bei dem eine thermische Zerstörung während des Abschaltzeitpunktes verhindert wird, indem die Wärmeerzeugung in Bereichen unterbunden wird, in den die Wärmestrahlungseigenschaften nicht sehr gut ist. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines solchen Haibleiterbauteus in Crimp-Technik, bei welchem das Halbleitersubstrat in einem gleichmäßig gepreßten Zustand gehalten wird.
  • Erfindungsgemäß wird gemeinsam mit der EP-A-0 098 175 ein Halbleiterbauteil in Crimp-Technik bereitgestellt, welches aufweist: ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat, das aus Halbleiterschichten ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps besteht und über eine erste und zweite Hauptoberfläche besitzt, mehrere im wesentlichen rechteckige Verunreinigungs-Emitterbereiche zweiten Leitfähigkeitstyps, die radial auf der Halbleiterschicht ersten Leitfähigkeitstyps des Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei die Verunreinigungs-Emitterbereiche zweiten Leitfähigkeitstyps so angeordnet sind, daß sie mehrere konzentrische Felder bilden und aus der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats hervorstehen, eine erste Hauptelektrode, welche in Kontakt mit der Halbleiterschicht ersten Leitfähigkeitstyps des Halbleitersubstrats steht, mehrere zweite Hauptelektroden, welche in Kontakt mit den entsprechenden Verunreinigungs-Emitterbereichen zweiten Leitfähigkeitstyps stehen, ein erstes Elektrodenelement, welches mit der ersten Hauptelektrode in Kontakt steht, ein zweites Elektrodenelement, welches mit den zweiten Hauptelektroden in Kontakt steht, einen ersten Elektrodenpfosten zum Anpressen des ersten Elektrodenelementes gegen das Halbleitersubstrat, wobei der erste Elektrodenpfosten mit dem ersten Elektrodenelement in Kontakt steht, und einen zweiten Elektrodenpfosten, zum Anpressen des zweiten Elektrodenelementes gegen das Halbleitersubstrat, wobei der zweite Elektrodenpfosten mit dem zweiten Elektrodenelement in Kontakt steht und einen Fasenabschnitt aufweist der an dessen Umfang an einer Unterseite davon ausgebildet ist.
  • Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauteil in Crimp-Technik mehrere in der Halbleiterschicht zweiten Leitfähigkeitstyps des Halbleitersubstrats ausgebildete und auf der ersten Hauptoberfläche frei liegende Verunreinigungsbereiche ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, der erste Elektrodenpfosten einem an dem Umfang seiner oberen Oberfläche ausgebildeten Fasenabschnitt aufweist, und das scheibenförmige Halbleitersubstrat mit einem ringförmigen Lebensdauer-gesteuerten Bereich in den Verunreinigungsbereichen zweiten Leitfähigkeitstyps im äußerten Feld versehen ist, der Innendurchmesser des Lebensdauer-gesteuerten Bereichs größer als der Durchmesser eines Hüllkreises ist, der durch Verbinden radial innerer Enden der Verunreinigungsbereiche zweiten Leitfähigkeitstyps im äußerten Feld erhalten wird.
  • Der Innendurchmesser des ringförmigen Lebensdauerbereiches ist bevorzugt gleich oder kleiner als der Durchmesser eines Kreises, der dem unteren Ende des Fasenabschnittes des zweiten Elektrodenpfosten entspricht.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform ist das Leistungshalbleiterbauteil in Crimp-Technik eine legierungsfreie Struktur, in welcher das Halbleitersubstrat und die Elektrodenelemente ohne dazwischen angeordnetes Lötmaterial in direkten Kontakt miteinander stehen. Der Außendurchmesser des zweiten Elektrodenelementes ist größer als der des Anordnungsmusters der zweiten Hauptelektroden, während der Innendurchmesser des zweiten Elektrodenelementes kleiner als der des Anordnungsmusters der zweiten Hauptelektroden ist. Der Außendurchmesser des ersten Elektrodenelementes ist größer der derersten Hauptelektrode, so daß das erste Elektrodenelement die gesamte Oberfläche der ersten Hauptelektrode überdeckt.
  • Ferner ist der Außendurchmesser des ersten Elektrodenpfostens kleiner als der des ersten Elektrodenelementes und der Außendurchmesser des zweiten Elektrodenpfostens kleiner als der des zweiten Elektrodenelementes. Daher pressen der erste und zweite Elektrodenpfosten jeden Abschnitt des ersten und zweiten Elektrodenelementes mit einem gleichförmigen Druck zusammen. Im allgemeinen wird angenommen, daß in einem im wesentlichen flachen Halbleiterbauteil in Crimp-Technik der Pfad des Hauptstroms und der Pfad der in dem Halbleitersubstrat erzeugten Wärme im wesentlichen derselbe sind. Daher ist jede Halbleiterschicht der Substrate so ausgebildet, daß der Bereich, durch welchen der Hauptstrom in dem Halbleitersubstrat fließt, durch die Elektrodenelemente abgedeckt ist. Mit dieser Struktur unterscheidet sich die Dichte des durch das Substrat fließenden Hauptstroms nicht sehr von der Dichte des durch die Hauptelektroden fließenden Stroms.
  • Ferner ist das Halbleitersubstrat mit einem Segment kurzer Lebensdauer versehen, das in Bereichen angeordnet ist, wo die Wärmestrahlungseigenschaft nicht gut ist. Da ein derartiges Segment vergleichsweise schwierig betrieben werden kann, wird die Fähigkeit, Abschaltvorgängen zu widerstehen verbessert, ohne daß die Abschalteigenschaften verschlechtert werden.
  • Diese Erfindung wird aus der nachstehend in Rahmen eines Beispiels gegebenen detaillierten Beschreibung und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines GTO-Thyristors ist, welcher ein Beispiel eines herkömmlichen Halbleiterbauteils in Crimp-Technik ist;
  • Fig. 2A und 2B in konzeptioneller Form die zwei Lagebeziehungen zwischen den Emitterschichten zweiten Leitfähigkeitstyps und dem zweiten Elektrodenpfosten des in Fig. 1 gezeigten GTO-Thyristors darstellen;
  • Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines GTO-Thyristors ist, welcher ein Beispiel für ein Halbleiterbauteil in Crimp-Technik gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • Fig. 4 in konzeptioneller Form die Lagebeziehungen zwischen den Emitterschichten zweiten Leitfähigkeitstyps und einem mit einem Elektronenstrahl bestrahlten Abschnitt des in Fig. 3 gezeigten GTO-Thyristors darstellt.
  • Ein Halbleiterbauteil in Crimp-Technik der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei auf den Fall Bezug genommen wird, bei dem er als ein Anodenschluß-GTO-Thyristor mit einem legierungsfreien Aufbau ausgebildet ist.
  • Fig. 3 ist eine Schnittansicht des die vorliegende Erfindung verkörpernden GTO-Thyristors. Gemäß Fig. 3 besteht ein scheibenförmiges Silizium-Halbleitersubstrat 20 aus einer ersten und zweite Schicht, welche einen ersten bzw. zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, und welche übereinander gestapelt sind. Diese Halbleiterschichten dienen als Basisschichten 21b bzw. 21c. Mehrere Verunreinigungsbereiche ersten Leitfähigkeitstyps sind so in der Basisschicht 21b ausgebil det, daß deren Oberflächen freiliegen. Mehrere Verunreinigungsbereiche zweiten Leitfähigkeitstyps sind so auf der Basisschicht 21c ausgebildet, daß sie aus der Oberflächen der Basisschicht 21c hervorstehen. Die Verunreinigungsbereiche ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps dienen als Emitterschichten 21a bzw. 21d des GTO-Thyristors. Die Emitterschichten 21d weisen jede eine im wesentlichen rechteckige Form auf und sind radial auf dem scheibenförmigen Halbleitersubstrat 20 um den Mittelpunkt des Substrates 20 herum angeordnet.
  • Die obere Seite des Halbleitersubstrats 20 wird hierin als die zweite Hauptoberfläche 22 bezeichnet, und diese Hauptoberfläche 22 besteht aus der Oberfläche der Basisschicht 21c ersten Leitfähigkeitstyps. Die Emitterschichten 21d zweiten Leitfähigkeitstyps dienen als ein Kathodenbereich und eine zweite Hauptelektrode 23 ist auf jeder der Emitterschichten 21d ausgebildet. Die Basisschicht 21c ersten Leitfähigkeitstyps dient als ein Basisbereich und eine Steuerelektrode 24 ist auf der Basisschicht 21d ausgebildet. Die untere Seite des Halbleitersubstrats 20 wird hierin als die erste Hauptoberfläche 21 bezeichnet, und die Emitterschichten 21a ersten Leitfähigkeitstyps und die Basisschicht 21b zweiten Leitfähigkeitstyps liegen in der ersten Hauptoberfläche 21 frei. Eine erste Hauptelektrode 25 ist so auf der ersten Hauptoberfläche 21 ausgebildet, daß die Emitterschichten 21a und die Basisschicht 21b miteinander kurzgeschlossen werden.
  • Die Emitterschichten 21d zweiten Leitfähigkeitstyps werden durch Dotieren von Verunreinigungen zweiten Leitfähigkeitstyps, wie z.B. Phosphor, in ausgewählte Bereiche der Basisschicht 21c ersten Leitfähigkeitstyps entweder durch Ionenimplantation oder durch Diffusion erzeugt. Nach der Diffusion in die Basisschicht 21c werden die verunreinigungsdiffundierten Bereiche selektiv mittels isotroper oder anisotroper Ätzung entfernt.
  • Gemäß Darstellung in Fig. 4 liegen die Emitterschichten 21d zweiten Leitfähigkeitstyps jeweils in der Form eines langgestreckten Segments vor und sind radial auf der Basisschicht 21c in einer Weise angeordnet, daß sie mehrere konzentrische Anordnungen ergeben. Die Emitterschichten 21d stehen aus der Basisschicht 21c hervor. Von oben betrachtet sehen die Emitterschichten 21d wie mehrere um die Steuerelektrode 24 herum angeordnete Ringe aus. Es sei angemerkt, daß die Emitterschichten 21d nicht in radialen Mustern angeordnet sein müssen; sie können, falls dieses gewünscht ist, auch parallel zueinander angeordnet werden.
  • Das Halbleitersubstrat 20 ist mit Bereichen unterschiedlicher Lebensdauer der Minoritätsträger auf ausgewählten Bereichen davon versehen. Die Lebensdauer in den Bereichen wird so gesteuert, daß die Fähigkeit, Abschaltvorgängen zu widerstehen, insbesondere Abschaltvorgängen bei hohen Frequenzen, verbessert werden kann, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Gate-Empfindlichkeit, Die EIN-Spannung, die Abschalteigenschaften und andere Eigenschaften zu bewirken. Im allgemeinen wird die Lebensdauer-Steuerung durch die Diffusion von Schwermetall (z.B. Gold oder Platin), die Bestrahlung mit einer Strahlung (z.B. einem Elektronenstrahl) oder durch beides in Kombination ausgeführt.
  • Die Lebensdauer in den fraglichen Bereiche wird durch die Diffusion von Gold oder Platin und durch die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl so gesteuert, daß sie in dem Bereich von etwa 10 bis 35 µs liegt.
  • Das gesamte Halbleitersubstrat kann mit Elektronenstrahlen oder Protonen bestrahlt werden. In diesem Falle wird ein größerer Anteil der Elektronenstrahlen oder Protonen auf den Bereich des Halbleitersubstrats 20 gerichtet, welcher durch die schrägen Linien in Fig. 4 angegeben ist, so daß die Lebensdauer der Minoritätsträger in diesem Bereich kürzer als die Lebensdauer der Minoritätsträger in den anderen Bereichen ist. Der Bereich mit kürzerer Lebensdauer entspricht von der Lage dem vorstehend erwähnten Lebensdauer-gesteuerten Bereich 43, und dessen Innendurchmesser ist gleich dem des Lebensdauer-gesteuerten Bereichs 43.
  • Anschließend erfolgt nun eine Beschreibung, wie das das vorstehend beschriebene Halbleitersubstrat enthaltende Halbleiterbauteil in Crimp-Technik zusammengebaut wird. Ein erstes Elektrodenelement 26 wird bezogen auf die erste Hauptelektrode 25 angeordnet, und ein zweites Elektrodenelement 27 in Bezug sowohl auf die zweite Hauptelektrode 23 als auch die Steuerelektrode 24 angeordnet. Das erste Elektrodenelement 26 besteht aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie z.B. W oder Mo, und dient als Temperaturkompensationsplatte (d.h., als Pufferplatte gegen Wärme). Das zweite Elektrodenelement 27 besteht aus einer Temperaturkompensationsplatte 28, die aus demselben Material wie das erste Elektrodenelement 26 besteht, und aus einer dünnen Weichmetallplatte 29. Die dünne Weichmetallplatte 29 ist eine aus Ag, Al oder Cu bestehende Platte. Alternativ kann sie aus einer laminierten Struktur bestehen, wobei Folien aus mindestens einem Element von Ag, Al und Cu übereinander gestapelt sind. Der Außenumfang des ersten Elektrodenelementes 26 ragt über den Außenumfang der ersten Hauptelektrode 25 hinaus, und der Außenumfang der zweiten Elektrodenelementes 27 ragt über die radial äußeren Enden der zweiten Hauptelektroden 23, welche das äußerste Feld bilden hinaus. Der erste und zweite Elektrodenpfosten 30 und 31 werden jeweils auf das erste und zweite Elektrodenelement 26 und 27 gestapelt. um dadurch eine Crimp-Struktur zu erhalten. Der erste und zweite Elektrodenpfosten 30 und 21 weisen Außendurchmesser auf, welche kleine als die des ersten und zweiten Elektrodenelementes 26 bzw. 27 sind, und Innendurchmesser, welche größer als. die des ersten und zweiten Elektrodenelementes 26 bzw. 27 sind. Fasenabschnitte 30A und 31A sind an den Außenumfängen der oberen bzw. unteren Oberflächen des ersten bzw. zweiten Elektrodenpfostens 30 und 31 angeordnet. Der zweite Elektrodenpfosten 31 weist einen Nutabschnitt 32 auf, welcher durch teilweises Ausschneiden des Pfostens 31 von der Mitte zum Umfang erzeugt wird, und Elemente zum Anpressen des Halbleitersubstrats und eine Gate- Leitung sind im Inneren des Nutabschnittes 32 angeordnet. Um den zweiten Elektrodenpfosten 31 und die Steuerelektrode 24 elektrisch zu isolieren, ist eine Isolationsmaterial 33 in dem Nutabschnitt 32 des zweiten Elektrodenpfostens 31 angeordnet. Ein leitfähiges Element 36 ist an einem Ende der Gate-Leitung 35 angeordnet, und ein Federelement ist für das leitfähige Element 36 vorgesehen. Da das leitfähige Element 36 durch die Ausdehnungskraft des Federelementes gegen die Steuerelektrode 24 gedrückt wird, wird der zweite Elektrodenpfosten 31 dementsprechend gegen das Halbleitersubstrat 20 gedrückt.
  • Die Gate-Leitung 35 ist elektrisch mit der Steuerelektrode 24 verbunden, und das an dem einen Ende der Gate-Leitung 35 angeordnete leitfähige Element 36 ist mit einem geraden Abschnitt 37 mit kleinem Durchmesser und mit einem Verlängerungsabschnitt 38 versehen. Der gerade Abschnitt 37 hängt mit dem leitenden Element 36 zusammen, und der Verlängerungsabschnitt ist bezogen auf den geraden Abschnitt 37 gebogen und mit einem Punkt außerhalb des Bauteils verbunden. Das Leistungs-GTO-Bauteil in Crimp-Technik wird in einer keramischen rohrartigen Umhüllung 39 aufgenommen und an dem ersten und zweiten Elektrodenpfosten 30 und 31 angebrachte Flansche werden mit der rohrartigen Umhüllung verlötet. Gemäß Darstellung in Fig. 3 wird der Verlängerungsabschnitt 38 der Gate-Leitung 35 von einer metallischen Hülse 40 abgedeckt, welche in die rohrartige Umhüllung 38 eingeführt und darin befestigt ist. Um die Durchbruchspannung des Elementes auf einem vorbestimmten Wert zu halten, werden die Seitenkanten des Halbleitersubstrats 20 angeschrägt, einer Ätzbehandlung unterzogen und dann mit Silikonharz 41 oder dergleichen zwecks Einkapselung abgedeckt. Auf diese Weise werden die durch die Anschrägung der Seitenkanten des Halbleitersubstrat 205 freigelegten pn- Übergänge geschützt.
  • Eine Ausrichtungsführung 42 wird zur Ausrichtung der Hauptelektroden, der Elektrodenelemente und der Elektrodenpfosten in Bezug zueinander verwendet. Insbesondere wird das Halbleitersubstrat 20 bezogen auf das erste und zweite Elektrodenelement 26 und 27 unter Verwendung des auf den Seitenkanten des Halbleitersubstrats 20 aufgebrachten Silikonharzes ausgerichtet. Das zweite Elektrodenelement 27 und der zweite Elektrodenpfosten 31 werden in Bezug zueinander unter Verwendung der Ausrichtungsführung 42 ausgerichtet. Diese Ausrichtungsführung 42 kann auch für die Ausrichtung der Gate- Leitung 35 genutzt werden. Die Ausrichtungsführung 42 besteht aus einem isolierenden Material, wie z.B. Teflon oder Epoxidharz, und ist ein ringförmiges Element mit einem Stufenabschnitt an seiner Oberkante. Die Außenumfangskante des oberen Abschnittes der Ausrichtungsführung 42 weist einen Außendurchmesser gleich dem Hohlquerschnitt des zweiten Elektrodenpfostens auf, und die Außenumfangskante von deren unteren Abschnitt weist einen Außendurchmesser gleich dem Hohlquerschnitt des zweiten Elektrodenelementes 27 auf
  • Nach den Anschrägungs- und Einkapselungsschritten, welche vor dem Zusammenbau der Gate-Leitung 35 ausgeführt werden, wird die Lebensdauer der Minoritätsträger in den vorbestimmten Abschnitten des Halbleitersubstrats 20 auf etwa die Hälfte (d.h., 5 bis 20 µm) durch die Bestrahlung mit Elektronenstrahlen und Protonen reduziert. Gemäß Darstellung in Fig. 4 liegt der Lebensdauer-gesteuerte Bereich in der Form eines Rings vor. Der Innendurchmesser dieses Lebensdauer-gesteuerten Bereichs 43 ist größer als der Durchmesser eines Hüllkreises, welcher durch Verbinden der radial inneren Enden der Emitterschichten 21d des äußerten Feldes erzielt wird. Ferner ist der Innendurchmesser des Lebensdauer-gesteuerten Bereichs 43 kleiner als der Durchmesser des Kreises, entlang welchem das untere Ende des Fasenabschnittes 31A des zweiten Elektrodenpfostens 31 mit dem zweiten Elektrodenelement 27 in Kontakt steht. Bevorzugt ist der Innendurchmesser des Lebensdauer-gesteuerten Bereichs 43 größer als der Wert, welcher durch Subtraktion des der Dicke des zweiten Elektrodenpfostens entsprechenden Wertes von dem Wert erhalten wird, der dem Durchmesser entspricht, entlang dem das untere Ende des Fasenabschnittes 31A des zweiten Elektrodenpfostens 31 mit dem zweiten Elektrodenelement 27 steht.
  • Der GTO-Thyristor weist eine Durchbruchspannung in dem Bereich von 2500 bis 4500 V auf, und die Basisschicht 21c ersten Leitfähigkeitstyps weist ursprünglich einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 100 bis 250 Ωcm auf. Um eine Lebensdauer von 5 bis 20 µs zu erzielen, wird eine Bestrahlung mit Elektronen und Protonen mit einer Elektronenstrahlintensität von 5 bis 18 MeV und mit einer Dosis 5 × 10¹¹ bis 5 × 10¹² pro cm² ausgeführt.
  • Während der vorstehend erwähnten Bestrahlung werden die Bereiche des Halbleitersubstrates 20 außerhalb des Lebensdauer-gesteuerten Bereichs 43 mit einer Abschirmplatte mit einer Dicke von 5 bis 10 mm und bestehend aus Wolfram oder Molybdän abgedeckt. Mit anderen Worten: Die Bestrahlung mit Elektronen oder Protonen wird bezüglich der Halbleitersubstratabschnitte ausgeführt, deren Wärmestrahlungseigenschaft nicht gut ist. Die Menge der Elektronen oder Protonen, welche auf solche Substratabschnitte gestrahlt werden, reicht von der Menge, welche über das gesamte Halbleitersubstrat gestrahlt wird, bis zu der Menge, welche doppelt so groß wie diese Menge ist.
  • Als Folge der vorstehend erwähnten Bestrahlung wird ein GTO-Thyristor in Crimp-Technik erhalten, bei welchem die Lebensdauer in dessen Lebensdauer-gesteuerten Bereich 43 (d.h., in den äußersten Segmenten des Substrats 20) etwa 1/4 bis 1/3 der Lebensdauer in den anderen Bereichen des Substrats 20 ist.
  • Wie vorstehend erwähnt, wird die Lebensdauer ein Teils des Halbleitersubstrats auf einen Wert innerhalb des vorbestimmten Bereichs reduziert. Als Folge der reduzierten Lebensdauer wird die Fähigkeit, Abschaltvorgängen bei hohen Frequenzen zu widerstehen von 2700 A (dem Wert des herkömmlichen Bauteils) auf 3300 A oder mehr (den Wert der vorliegenden Erfindung) gesteigert, ohne daß die Gate-Empfindlichkeit (IGT, VGT, usw.), die Dauer-EIN-Eigenschaft (VTM) und die Abschalteigenschaft (td, tgt) verschlechtert wird. Das Bauteil kann durchbrechen, wenn der Strom 3300 A überschreitet. Sogar dann, wenn ein Durchbruch erfolgt, liegt dessen Stelle nicht in einem Umfangsbereich, welcher sich innerhalb des Bereich der Elektrodenpfosten befindet. Daher erfolgt ein solcher Durchbruch nicht wegen einer schlechten Wärmestrahlungseigenschaft des Bauteils, sondern ergibt sich aus der ursprünglichen Eigenschaft des Silizium-Halbleitersubstrats.
  • Wenn der Bereich mit reduzierter Lebensdauer zu schmal ist oder wenn die Lebensdauer in diesem Bereich nicht sehr stark reduziert wird, bleibt die Fähigkeit, Ausschaltvorgängen zu widerstehen, unverbessert. In einem derartigen Fall kann ein Durchbruch in einem Umfangsbereich des Bauelementes, wie nach dem Stand der Technik auftreten. Umgekehrt wird dann, wenn der Bereich mit reduzierter Lebensdauer zu breit ist oder die Lebensdauer in diesem Bereich zu stark reduziert ist, die Dauer-EIN-Eigenschaft und die Abschalteigenschaft verschlechtert, obwohl die Fähigkeit, Abschaltvorgängen zu widerstehen, verbessert werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform wird daher die Lebensdauer so gesteuert, daß die Segmente, die in dem Bereich angeordnet sind, in dem die Wärmestrahlungseigenschaft schlecht ist, vergleichsweise schwierig zu betreiben sind. Durch die Steuerung der Lebensdauer in dieser Weise kann die Fähigkeit, Abschaltvorgängen zu widerstehen, verbessert werden, ohne negative Auswirkungen auf die anderen Eigenschaften zu bewirken.
  • Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen lediglich dem besseren Verständnis dienen und nicht den Schutzumfang einschränken.

Claims (2)

1. Halbleiterbauteil in Crimp-Technik mit:
einem scheibenförmigen Halbleitersubstrat (20) bestehend aus Halbleiterschichten (21b, 21c) ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps (P, N) bestehendes und mit einer ersten und zweiten Hauptoberfläche (21, 22);
mehreren im wesentlichen rechteckigen Verunreinigungs-Emitterbereichen (21d) zweiten Leitfähigkeitstyps, die radial auf der Halbleiterschicht (21c) ersten Leitfähigkeitstyps des Halbleitersubstrats (20) angeordnet sind, wobei die Verunreinigungs-Emitterbereiche (21d) zweiten Leitfähigkeitstyps so angeordnet sind, daß sie mehrere konzentrische Felder bilden und aus der zweiten Hauptoberfläche (22) des Halbleitersubstrats (20) hervorstehen;
eine erste Hauptelektrode (25), welche mit der Halbleiterschicht (21b) ersten Leitfähigkeitstyps des Halbleitersubstrats (20) in Kontakt steht;
mehrere zweite Hauptelektroden (23), welche mit den entsprechenden Verunreinigungs-Emitterbereichen (21d) zweiten Leitfähigkeitstyps in Kontakt stehen;
ein erstes Elektrodenelement (26), welches mit der ersten Hauptelektrode (25) in Kontakt steht;
ein zweites Elektrodenelement (27), welches mit den zweiten Hauptelektroden (23) in Kontakt steht;
einen ersten Elektrodenpfosten (30) zum Anpressen des ersten Elektrodenelementes (26) gegen das Halbleitersubstrat (20), wobei der erste Elektrodenpfosten (30) mit dem ersten Elektrodenelement (26) in Kontakt steht, und
einen zweiten Elektrodenpfosten (31), zum Anpressen des zweiten Elektrodenelementes (27) gegen das Halbleitersubstrat (20), wobei der zweite Elektrodenpfosten (31) mit dem zweiten Elektrodenelement (27) in Kontakt steht und einen Fasenabschnitt (31A) aufweist, der an dem Umfang seiner Unterseite ausgebildet ist;
dadurch gekennzeichnet, daß:
das Halbleiterbauteil in Crimp-Technik mehrere in der Halbleiterschicht (21b) zweiten Leitfähigkeitstyps des Halbleitersubstrats (20) ausgebildete und auf der ersten Hauptoberfläche (21) des Halbleitersubstrats (20) frei liegende Verunreinigungsbereiche (21a) ersten Leitfähigkeitstyps aufweist;
der erste Elektrodenpfosten (30) einem an dem Umfang seiner Oberseite ausgebildeten Fasenabschnitt (30A) aufweist; und
das scheibenförmige Halbleitersubstrat (20) mit einem ringförmigen Lebensdauer-gesteuerten Bereich (43) in den Verunreinigungsbereichen (21d) zweiten Leitfähigkeitstyps des äußerten Feldes versehen ist, wobei der Innendurchmesser des Lebensdauer-gesteuerten Bereichs (43) größer als der Durchmesser eines Hüllkreises ist, der durch Verbinden radial innerer Enden der Verunreinigungsbereiche (21d) zweiten Leitfähigkeitstyps des äußerten Feld erhalten wird.
2. Haibleiterbauteil in Crimp-Technik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Lebensdauer-gesteuerten Bereiches (43) gleich oder kleiner als der Durchmesser eines Kreises ist, entlang welchem das untere Ende des Fasenabschnittes (31A) des zweiten Elektrodenpfostens (31) mit dem zweiten Elektrodenelement (27) in Kontakt steht.
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