DE6924915U - Steuerbares halbleiterbauelement - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft 3rown, Boveri & Cie., Baden (Schv;eiz)

Steuerbares Halblei terbauelernent

Die' ErrinUu-ri-p; betrifft ein steuerbares Halbleiterbauelement mit einer einkristallinen Halbleiterscheibe, die zur Bildung einer p-n-p-n Struktur mehrere schichtenformige Zonen abwechselnden Leitungstyps aufweist und deren Stirnflächen mit flächenhaften Hauptelektroden kontaktiert sind, wobei die beiden äusseren Zonen jeweils nur einen Teilbereich der an sie anschliessenden Scheibenstirnflächen einnehmen und jede der inneren Zonen jeweils an einem anderen Teilbereich der Scheibenstirnfläche mit der zugehörigen Hauptelektrode kontaktiert ist, wobei ferner die beiden inneren Zonen verschiedene mittlere Dotierungskonzentrationen haben- und die Halbleiterscheibe eine kegelstumpfförmige Randoberfläche aufweist,derart, dass die Kegelbasis der inneren Zone höherer mittlerer Dotierungskonzentration zugewandt ist.

Bei einem solchen Halbleiterbauelement sind die äusseren Zonen durch eine galvanische Verbindung der inneren Zonen mit den zugehörigen Hauptelektroden kurzgeschlossen. D±es hat zur Folge, dass die jeweils zwischen einer äusseren und einer in-

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neren Zone bestehenden p-n Uebergänge ihre Sperrv.-irkung verlieren und nur mehr ihre Funktion der-Injektion von Ladungsträgern erhalten bleibt. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen in den äusseren Zonen ,jeweils mehrere, über ihre Fläche verteilte Perforationen vorzusehen, durch welche die inneren Zonen an die Scheibenstirnfläche heranreichen und dort mit den Hauptelektroden verbunden sind.

Bei einem aus der schweizerischen Patentschrift hyj. 538 bekannten Halbleiterbauelement dieses Typs ist die Steuerelektrode im Bereich der kegelstumpfförmig abgeschrägten Randfläche mit der höher dotierten der beiden inneren Zonen verbunden. Durch einen zwischen dieser Steuerelektrode und der ihr benachbarten Hauptelektrode angelegten Zündimpuls kann das Halbleiterbauelement ähnlich wie ein Thyristor gezündet werden. Die prinzipielle Form der Charakteristik eines solchen Elementes ist in Fig. 1 dargestellt.

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Diese Halbleiterbauelemente können nun jeweils mit einer Halbleiterdiode oder mit einem Element gleicher Art vorteilhaft derart zu einer Säule verbunden werden, dass die Charakteristik der Säule in jeder der beiden Spannungsrichtungen jeweils durch die Charakteristik eines der beiden Elemente bestimmt wird. Dadurch gelingt es z.B. Halbleiteranordnungen zu schaffen, bei denen die Stromspannungscharakteristik in beiden Spannungsrichtungen optimiert werden kann.

Das genannte, aus der schweizerischen Putenr.scnrirt ^J?. 5JIo bekannte Halbleiterbauelement hat aber den Nachteil, dass die Anlegierung der Steuerelektrode auf aer kegelstumpfförmig abgeschrägten Scheibenrandflache wegen der kleinen zur Verfügung stehenden Fläche nur schv.-ierig zu realisieren ist.

Der Erfindung" liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein steuerbares Halbleiterbauelement vom p-n-p-n Typ zu schaffen, dessen äussere Zonen kurzgeschlossen sind und das die genannten Nachteile des erwähnten bekannten Elements nicht aufweist.

Das steuerbare Halbleiterbauelement gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die innere Zone niedrigerer Dotierungskonzentration einen an die andere innere Zone anschliessenden ersten Teilbereich einer Dotierungskonzentration von weniger als 5.10·*·^ Atomen/cnr aufweist, sowie einen an die benachbarte äussere Zone bzw. die benachbarte Scheibenstirnflache anschliessenden zweiten Teilbereich höherer mittlerer Dotierungskonzentration als der erste Teilbereich, wobei dieser zweite Teilbereich wenigstens an seinen an die benachbarte äussere Zone grenzenden Teilen eine Dotierungskonzentration von 5.10 -'-θ. 10 Atomen/cnr aufweist, und dass die Steuerelektrode an der zugehörigen Scheibenstirnfläche mit dem genannten zweiten Teilbereich höherer mittlerer Dotierungskonzentration verbunden ist. 6924^ 1 5

Die E-rfludurfg wird anhand der Figuren 2 und 5, die ein Beispiel darstellen, eingehend erläutert.

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Fig. 2 zeigt den Aktivteil eines Halbleiterbauelements gerr.äss der Erfindung schematisch im Schnitt. Die Dicken der einzelnen Halbleiterzonen sind dabei zur besseren Uebersichtlichkeit übertrieben stark dargestellt.

Der Aktivteil weist eine einkristalline Siliziumscheibe 1 auf, deren Ranaoberflache 2 kegelstumpi'förmig abgeschrägt ist und die an ihrer, der Basis der kegeligen Abschrägung zugewandten Stirnfläche mit einer Trägerplatte 3 aus Molybdän verbunden ist, die eine der Hauptelektroden bildet. Die p-rtp-n Struktur der Siliziumscheibe 1 besitzt eine äussere Zone h vom n-Leitungstyp, die an die Trägerplatte 3 anschlissst. An diese äussere Zone 4 grenzt eine schwächer dotierte innere Zone 5 vom p-Leitungstyp, welche durch die Perforationen 6 in der äusseren Zone 4 mit der Trägerplatte 3 in Verbindung steht. Auf diese erste innere Zone 5 folgt eine innere Zone vom n-Leitungstyp, die sich aus einer an diese innere Zone 5 anschliessenden Teilzone 7» mit angenähert konstanter, niedriger Dotierungskonzentration von weniger alc-520 Atomen/cm , sowie einer daran anschliessenden zweiten Teilzone 8, mit einer höheren mittleren Dotierungskonzentration als die der ersten Teilzone 7 zusammensetzt. An diese zweite Teilzone 8 grenzt eine hochdotierte äussere Zone 9 vom p-Leitungstyp, welche sich aber nur über einen ringförmigen Teilbereich der an sie anschliessenden Scheibenstirnfläche 10 erstreckt und ähnlich wie die hochdotierte äussere Zone 4 vom n-Leitungstyp Perforationen 11 aufweist, durch

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welche die genannte zweite Teilzone 8 an die Scheibenstirnflache 10 heranreicht. Diese zweite Teilzone 8 der inneren Zone vorn n-Leitungstyp ist an einem zentralen Teilbereich, an der sie an die Scheibenstirnfläche 10 heranreicht, mit ein^r Steuerelektrode 12 versehen, während die hochdotierte äussere Zone

9 vom p-Leitungstyp mit einer ringförmigen Hauptelektrode 1J> kontaktiert ist, welche durch die Perforationen 11 auch mit der genannten zweiten Teilzone 8 galvanisch in Verbindung steht, wobei die Hauptelektrode 13 einen der Steuerelektrode 12 benachbarten Bereich der äusseren Zone 9 freilässt. Die Dotierung der Teilzone 8 ist dabei so gewählt, dass sie zumindest an den an die benachbarte äussere Zone 9 bzw. an die Scheibenstirnfläche

10 grenzenden Teilen eine Dotierungskonzentration von f. 10 '-8.10 Atomen/cm-^, vorzugsweise von angenähert.2.10 Atomen/cm aufweist.

Durch diese Dimensionierung wird eine Erhöhung des Kippstromes und des maximalen -rr der Anodenspannung U, bei der noch keine spontane Zündung eintritt, nicht unwesentlich erhöht. Ferner wird durch die höhere Dotierung der Teilzone 8 erreicht, dass sich im Sperrzustand beiderseits des p-n Ueberganges zwischen den beiden inneren Zonen eine Raumladungszone ausbildet, die innerhalb der inneren Zone vom n-Leitungstyp eine geringere Dicke aufweist als z.B. bei dem in der Beschreibungseinleitung bekannten Element.

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Da man aber, um einen Spannungsdurchbruch im Halbleiterbauelernent zu vermeiden, die Dicke der Halbleiterscheibe so gross wählen muss, dass die Raumlauungszone die hochdotierten äusseren Zgnen auch bei der höchsten zu erzielenden Sperrspannung nicht erreicht, kommt man wegen der verminderten Dicke der Raumladungszone bei dem Halbleiterbauelement gemäss der Erfindung bei gleicher maximaler Sperrspannung mit einer geringeren Schei-

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bendicke aus, als sie bei den bekannten Elementen dieser Art nötig ist. Diese geringe Scheibendicke führt zu geringen ohmschen Verlusten bei Stromdurchgang.

Zur Herstellung des Aktivteils gemäss Fig. 2 können verschiedene Verfahren verwendet werden.

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Ein bevorzugtes Verfahren geht von einer monokristallinen Siliziumscheibe vom n-Leitungstyp aus, die eine konstante Dotierungskonzentration von etwa Ji.10 ^ Atomen/cnr aufweist, und in der durch Eindiffundierung von Akzeptoratomen, z.B. von Gallium, eine oberflächige Zone vom p-Leitungstyp erzeugt wird, Diese oberflächige Zone wird an einer der Stirnflächen entfernt, so dass man eine p-n Struktur erhält. Danach wird von der an die η-dotierte Zone grenzenden Scheibenstirnfläche 10 durch Eindiffundieren von Phosphoratomen die höher dotierte Teilzone 8 erzeugt. Dies geschieht vorteilhaft mit Hilfe einer aus der schweizerischen Patentschrift beschriebenen

Verfahrens, gemäss dem auf der Scheibenstirnfläche eine mit

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Phosphor dotierte Siliziumo/ydcchicht hergestellt wird, von der im Laufe einer V.'ärrr.ebehandlung die Phosphoratome in die Halbleiterscheibe eindiffundieren. Ansehliessend werden unter Benutzung einer Oxidmaskentechnik die äusseren Zonen 4 und 9 durch Eindiffundieren von Phosphor und Bor erzeugt. Zur Herstellung der Hauptelektrode 13 wird danach auf der Scheibenstirnfiäche 10 eine Nickelschicht angebracht, die andere Scheibenstirnflachen ebenfalls mit einer Nickelschicht versehen und danach mit der Trägerplatte 3 aus Molybdän verlötet. Schliesslich wird die Steuerelektrode 12 angebracht und mittels eines ültraschallwerkzeuges die kegelförmige Abschrägung 2 hergestellt,

Die durch die genannten Verfahren hergestellten Dotierungsprofile in Richtung parallel zur Scheibenachse sind in Fig. 3 dargestellt. Wie man sieht, beträgt die Dotierungskonzentration an den Stellen an denen sie an die hochdotierte Zone 9 bzw. an die Scheibenstirnfläche 10 grenzt, ca. 10^1d bis 2.10¹^ Atome/cm.

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Gemäss einer anderen Verfahrensvariante kann die höher dotierte Teilzone 8 auch vorteilhaft durch epitaktisches Aufwachsen auf eine Siliziumscheibe mit p-n Struktur hergestellt werden. Die äussere Zone 9 kann nach einer weiteren Variante anstatt mit Hilfe einer Oxydr.askentechnik durch Anlegieren einer entsprechend perforierten Aluminiumfolie erzeugt werden, wobei man zur Bildung der Kurzschlüsse zv.-i sehen dieser Aluminiumfolie

und der Teilzoru 8 eine sehr hoch dotierte n+ Zone mit einer

20 3 Dotierungskonzentration von ca. 10 Atomen/cm herstellt.

Claims (3)

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1. Halbleiterbauelement mit einer einkri::.tallinen Halbleiterscheibe, die zur Bildung einer p-ri-p-n Struktur mehrere schlchtenfürmige Zonen aowechselnden Leitungstyps aufweist und deren Stirnflächen mit flächenhaften Hauptelektroden kontaktiert sind, wobei die beiden ausseren Zonen jeweils nur einen Teilbereich der an sie anschliessenden Scheibenstirnflächen einnehmen und jede der inneren Zonen jeweils an einem anderen Teilbereich

der Scheibenstirnfläche mit der zugehörigen Hauptelektrode kontaktiert ist, wobei ferner die beiden inneren Zonen verschiedene mittlere Dotierungskonzentrationen haben und die Halbleiterscheibe eine kegelstumpfförmige Randoberfläche aufweist, derart, dass die Kegelbasis der inneren Zone höherer mittlerer Dotierungskonzentration zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die inner« Zone niedrigerer Dotierungskonzentration einen an die andere innere Zone anschliessenden ersten Teilbereich (7) einer Dotierungskonzentration von weniger als 5·10 Atomen/cm aufweist, sowie einen an die benachbarte äussere Zone bzw. die benachbarte Scheibenstirnflache (10) anschliessenden zweiten Teilbereich (8) höherer mittlerer Dotierungskonzentration als der erste Teilbereich (7), wobei dieser zweite Teilbereich (8) wenigstens an seinen an die benachbarte äussere Zone grenzen den Teilen eine Dotierungskonzentration von 5-10 -8.10 Atomen/cm' aufweist, und dass die Steuerelektrode (12) an der zugehörigen Scheibenstirnfläche (JO) mit dem genannten zweiten Teilbereich (8) höherer mittlerer Dotierungskonzentration ver-

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2. Halbleiterbauelement p;crr.äss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Basis der kegelstumpfi'ormig abgeschrägten Randfläche (2) zugewandte Scheibenstirnflache mit. einer Trägerplatte (3) verbunden ist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient wenigstens angenähert gleich dem der Halbleiterscheibe (l) ist.

3. Halbleiterbauelement gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an derselben Scheibenstirnfläche (10) wie die Steuerelektrode (12) angebrachte Hauptelektrode (l~j>) einen der Steuerelektrode (12) benachbarten Randbereich der zugehörigen äusseren Zone (9) freilässt.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

Ermächtigung Zentr. A- , '.· r,/,_g Gea VoIIm.