NO116680B - - Google Patents

Description

Styrbart halvleder-likeretter-element og fremgangsmåte til dets fremstilling.

Styrbare halvleder-likeretter-elementer av pnpn-type har et i det vesentlige monokrystallinsk halvlederlegeme, f.eks. av silisium, med fire på hinannen følgende skikt av skiftevis motsatt ledningstype. De to ytre skikt, som i almindelighet er hoyt dotert, betegnes som emittere og de to indre som basiser. På et indre skikt er der ofte anbragt en kontaktelektrode som er plåsert i en utsparing i det tilgrensende ytre skikt og betegnes som tenné-elektrode da det ved dens hjelp er mulig å sende en strbm gjennem pn-overgangen mellem dette innerskikt og det tilgrensende ytterskikt for å bevirke tenning av tyristoren, d.v.s.

å la den gå over fra Ikke-ledende til ledende tilstand.

Oppfinnelsen beror på den erkjennelse at skiktenes dimensjoner og doteringskonsentrasjoner såvel som de sistnevntes forlop og levetiden av ladningsbærerne i det vesentlige bestem-mer hele komplekset av alle tyristorens elektriske egenskaper, nærmere bestemt sperrespenning, kippspenning, gjennemslipnings-karakteristikk o.s.v. Et hovedmål for oppfinnelsen er ved gjen-sidig avpasning av de bestemmende storrelser å skaffe en tyristor som har stQrst mulig sperre-evne, men hvis gjennemslipningsspenning allikevel ikke antar for hoye verdier.

Oppfinnelsen angår således et styrbart halvleder-like-retterrrielement for sterkstrom med et i det vesentlige mono-krystallinsk silisiumlegeme som har skikt-rekkef<51gen pnpn resp. npnp, og hvis forste innerskikt har en doteringskonsentrasjon som er nesten konstant over hele skikttykkelsen og er lavere enn doteringskonsentrasjonene i det annet innerskikt og i de to ytterskikt, og det karakteristiske ved elementet består i forste rekke i at det forste innerskikt er 200 - 500/U tykt, og at dets doteringskonsentrasjon utgjor 2,5 . 10 ^ til 1,5 . 10 cm >.

Et utforelseseksempel på en slik tyristor, hvis fbrste innerskikt kan være av n-ledende type, og ytterligere muligheter for forbedring vil bli beskrevet og forklart under henvisning til tegningen. Fig. 1 viser skjematisk tverrsnittprofilet av en halv-lederkomponent. Fig. 2 anskueliggjør rekkefblgen av halvlederskiktene og tjener til å fastlegge stedskoordinaten i den tilsvarende retning for fig. 3« Fig. 3 er et diagram over forlSpet av doteringskonsentras jonene i de enkelte skikt. Fig. 4 anskueliggjør hvorledes tyristorers sperreevne avhenger av tykkelsen og den spesifike motstand av det forste n-ledende innerskikt. Fig. 5 og 6 viser konsentrasjonene av ladningsbærerne i likeretterelementets gjennemslipningstilstand ved sterke injeksjoner, og

fig. 7 viser gjennemslipningsspenningen som funksjon

av ladningsbærernes levetid.

På fig. 1 betegner 2 et forste, f.eks. n-ledende innerskikt, hvis doteringskonsentrasjon har den laveste verdi sammenholdt med alle cJvrige skikt og er nesten konstant over hele skikttykkelsen. Til dette skikt slutter seg på den ene side et p-ledende innerskikt 3 og på den motsatte flatside et ytterligere p-ledende skikt 4 som danner et indre delområde av et p-ledende ytterskikt. De to skikt 3 og 4 kan være fremstillet efter forskjellige kjente metoder.

F.eks. kan der på begge sider av en skiveformet mono-krystallinsk silisiumkjerne 2 av n-type monokrystallinsk slås ned ytterligere silisium av p-type ved pyrolytisk spaltning og ut-skillelse fra en gassformet silisiumforbindelse, f.eks. SiHCl^eller SiCl^, under medvirkning av en bærer- og reaksjonsgass, så den skiveformede kjerne 2 fortykkes med skiktene 3 og 4. En slik utskillelsesmetode, som også er kjent under betegnelsen "epitaksi", gjor det mulig ved vilkårlig endring av de tilsatte andelsmengder av doteringsstoff under prosessen å oppnå et vilkårlig forlop av konsentrasjonsverdiene over skivetykkelsen. Efter den samme metode kan også det ennu manglende fjerde skikt påfbres, idet der til gassblandingen som skal spaltes, tilblandes en donatorsubstans så dette ytre skikt blir n-ledende.

Det er vanlig ved allsidig inndiffusjon av akseptorer i en n-ledende skiveformet silisium-monokrystall å omdanne et ytre skikt til p-type så der efter fjernelse av randen er fremkommet en skiktrekkef61ge pnpn, hvor det n-ledende innerskikt 2 dannes av silisium-monokrystallens uforandrede kjerne, til hvis to flat-sider der slutter seg p-ledende skikt henholdsvis 3 og 4. I mot-setning til utskillelsesmetoden, hvormed der som nevnt kan fremstilles ethvert onsket konsentrasjonsprofil, er diffusjonsmetoden bundet til den naturgitte lovmessighet av diffusjonen. Men ved passende variasjon av diffusjonsparametrene og ved anvendelse av flere doteringssubstanser med forskjellige diffusjonskonstanter er det allikevel også mulig å påvirke konsentrasJonsforlSpet.

Det n-ledende ytterskikt 5 kan foruten ved en av de beskrevne epitaksimetoder også være frembragt ved innlegering av et metall som Inneholder donatorer. Fordelaktig anvendes hertil en gullfolie med ca. 1% antimoninnhold. Efter opphetning utover eutektisk temperatur (ca. 370°C) til ca. 700°C er der efter av-kjoling fremkommet et rekrystallisasjonsskikt 5 som har hoy donatorkonsentrasjon og betegnes som n-emitter. Den av et eutektikum bestående gull-silisiumlegering danner n-emitterens kontaktelektrode 6. Dennes form og tykkelse efter fullstendig innlegering av gullfolien er entydig bestemt ved dennes opp-rinnelige form og tykkelse. Den kan f.eks. være ringformet. Folgelig får også rekrystallisasjonsskitet 5 ringform. En ringform kan også fås med en av de beskrevne epitaksimetoder. I ring-åpningen når det p-ledende skikt 3 ut til overflaten av krystallen. Der ar det sperrefritt kontaktert f.eks. ved innlegering av en borholdig gullfolie. Den legering som dannes åv denne med en tilsvarende tilgrensende silisiummengde, har frembragt en basis-elektrode 7 som har forholdsvis lite areal og tjener til styring av likeretterelementet. På den motsatte flatside av den skiveformede mono-krystall er der i det p-ledende ytterskikt 4 innlegert et metall som inneholder akseptorer, f.eks. en aluminiumfolie, som fortrinsvis dekker hele sklveflaten. Derved er der fremkommet et hbyt dotert p-ledende rekrystallisasjonsskikt 8 som danner et ytterste delavsnitt av det p-ledende ytterskikt og er dekket av en kontaktelektrode 9 som består av en eutektisk aluminium-silisium-1egering.

Skiktene 8 og 4 danner tilsammen p-emitteren. I for-bindelse med innlegeringen av n-emitterens kontaktelektrode 6, basiskontakten 7 og p-emitterens kontaktelektrode 9, noe som fordelaktig utfores i én eneste operasjon, kan der ennvidere også på den sistnevnte være pålegert en molybdenskive 10.

I skjemaet på fig. 2 er skiktrekkefblgen pnpn anskueliggjort.

Fig. 3 viser det tilhbrende konsentrasjonsprofil over den gjennem skiktene forlbpendé stedskoordinat som abscisse.

Den nevnte kjerne danner det n-ledende innerskikt 2 med en mest mulig jevn doteringskonsentras jon av ca. 5 . lO<1>^ cm"-<?>'og en tykkelse WR. Til dette slutter seg på begge sider henholdsvis over pn-overgangen Xg som ved. belastning av likeretterelementet sperrer i sperreretningen, og X^, som bevirker sperring i kipp-retningen, de p-ledende skikt henholdsvis 3 og 4, hvor akseptor-13 -3 konsentrasjonen begynner med en utgangsverdi av ca. 5 • 10 cm i nærheten av pn-overgangene og stiger med flere tierpotenser i 17 -3 retning utover, f.eks. til en verdi av noe mer enn 10 cm , som nås ved pn-overgangen X^resp. i naboskapet av skiktet 8.

I det fblgende vil der bli gitt en nærmere rede-gjørelse for de synspunkter som ligger til grunn for valget av skikttykkelsen såvel som hoyden og forlopet av doteringskonsentras jonen i de enkelte skikt med sikte på å oppnå optimale gjennemslipnings- og sperre-verdier.

Fig. 4 viser grafisk sperre-evnen av tyristorer med

et jevnt dotert, f.eks. n-ledende innerskikt som funksjon av dette innerskikts spesifike motstandJ?nog tykkelsen Wn. Videre er inntegnet kurver for de tilhorende punch-ithrough-spenninger U og for breakdown-spenningen U . Ved punch-through-spenning Up for-stås den spenning som, når den påtrykkes en pn-overgang i sperre-retning, bevirker at rumladningsområdet fullstendig brer seg ut over et av de tilgrensende skikt, i det foreliggende eksempel over det n-ledende midtre område. Ved breakdown-spenningen blir den elektriske feltstyrke ved pn-overgangen så hby at der skjer over-, slag. Den er avhengig av doteringskonsentrasjonen i naboskapet av pn-overgangen, i det foreliggende eksempel altså av doteringskonsentras jonen i det n-ledende midtskikt og de tilgrensede p-ledende skikt. En fordelaktig utforelsesform av tyristorer består i at disse p-ledende skikt i retning utover fra den indre pn-overgang oppviser en stigning i doteringskonsentrasjon med flere tierpotenser, som påvirker sperre-evnen på den måte at breakdown-spenningen tiltar med avtagende gradient av doteringskonsentrasjonen. I det foreliggende eksempel stiger konsentrasjonsverdien i det p-ledende ytterskikt i nærheten av pn-overgangen omtrent eksponentielt utover, og nærmere bestemt kan den strekning over hvilken akseptorkonsentrasjonen stiger med faktoren e = 2,7 , være 7 til 13yu. En verdi av 10^u gir det forlbp av breakdown-spenningen som er inntegnet på fig.4 .

Som det kan utledes av fig. 4, er sperre-evnen desto hByere jo stbrre man velger tykkelsen Wn»Som det vil bli belyst nærmere senere, virker det imidlertid ved forste oyekast ikke fornuftig å gå ut over 300 da gjennemslipningsspenningen, som er avgjbrende for den tapseffekt som oppstår i likeretterelementet, ellers ville bli uheldig stor. Por en verdi av tykkelsen Wnlik 200 til 300 ai blir der fordelaktig valgt en spesifik motstand mellem 40 og 120 ohm.cm.

Disse overveielser angående sperre-evnen gjelder for begge de pn-overganger Xg og X^som grenser til det n-ledende innerskikt, altså for sperre-evnen både i sperreretningen og i kipp-retningen. Fblgelig blir forlbpet av akseptorkonsentrasjonene i de p-ledende skikt i en fordelaktig utforelsesform valgt symmetrisk til hverandre som vist i eksempelet.

Mot en videre bkning av sperre-evnen ved bkning av skikttykkelsen Wnut over 300 yu veier som allerede nevnt en utilladelig okning av den tapseffekt som oppstår i halvleder-elementet ved gitt strømstyrke. For i gjennemslipningstilstanden må det midtre område W, som i det viste utfSrelseseksempel om-fatter det p-ledende,innerskikt 3, det n-ledende innerskikt 2 og det svakre doterte delavsnitt 4 av det p-ledende ytterskikt, fylles med ladningsbærerne av begge polaritetér. Som kildeområde for ladningsbærerne tjener de ytre skikt,p- og n-emitteren. For lave doteringskonsentrasjoner i disse kildeområder ville derfor fore til mangelfull fylling og dermed til uheldig h8y gjennemslipnings-spenning. Av den grunn blir doteringskonsentrasjonen i det ytre n-ledende skikt valgt lik omtrent lO1^ cm~^ eller høyere. En lignende hby konsentrasjon blir hensiktsmessig tilveiebragt i et ytterste delavsnitt av det p-ledende ytterskikt. For tilveie-bringelse av de hciye konsentrasjonsverdier i de to ytre områder egner seg, som omtalt, de kjente legerings- eller epitaksimetoder.

Den hbye dotering av ytterskiktene er imidlertid ikke i seg selv alene nok for en tilstrekkelig fylling av det midtre område W, resp. for en tilstrekkelig lav gjennemslipningsspenning, men ladningsbærerne må på grunn av sin diffusjonslengde L, som angir over hvilken strekning ladningsbærerne av en polaritet avtar med faktoren e 2,7 ... i sin bevegelsesretning, og som for sterke injeksjoner for begge arter av ladningsbærere er en felles

stbrrelse, være istand til å fylle hele det midtre område W

jevnt. Hva dette har å bety, er anskueliggjort på fig. 5 og 6,

hvor ladningsbærerkonsentras jonene i de forskjellige skikt er oppfort over disses tykkelse som abcisse, nemlig dels (fig. 5)

for en stor og dels (fig.6) for en liten diffusjonslengde. På fig.

6 kan der i det midtre område, hvis tykkelse W utgjor.det syv-dobbelte av diffusjonslengden L, konstateres en tydelig minskning av ladningsbærerne.

På fig. 7 er gjennemslipningsspenningen Up vist som funksjon av diffusjonslengden L resp. ladningsbærernes levetid for fire tyristorer med forskjellig basistykkelse Wn, men forbvrig like doteringskonsentrasjoner og arealer. Tykkelsen av de fylte p-skikt er antatt å være 50 fo- r hvert, så tykkelsen W blir 1 i 00 y-u storre enn Wn<Kurven gjelder for en strømtetthet av 200 A/cm regnet på arealet av den mindre av de to emittere, altså n-emitteren 5 på fig. 1. Man ser at gjennemslipnings-spenningen under forbvrig like forhold blir desto hbyere jo mindre ladningsbærernes diffusjonslengde L er. Videre ses det at gjennemslipnings-spenningen ved gitt diffusjonslengde blir desto hbyere jo storre skikttykkelsen Wnresp. W er. Særlig sterk blir imidlertid tilveksten i gjennemslipnings-spenning hvis tykkelsen W av det midtre skikt overstiger omtrent det firedobbelte av. diffusjonslengden. Når det gjelder valget av tykkelsen Wnresp. W, er man derfor begrenset oppad ved diffusjonslengden L, så man vil for tykkelsen W velge en verdi som er mindre enn det firedobbelte av diffusjonslengden L. Videre vil man sbke å oppnå en stbrst mulig diffusjonslengde ved å anvende meget rent utgangsmateriale og egnede fremstillingsmetoder.

I sbkerens ' .c" p- : "••." , 7 " ~

ble der foreslått en fremstiiiingsmetode hvor diffusjons-

prosessen finner sted i en kvartsampulle innvendig belagt med silisiummonoksyd, hvorved det som folge av en slags getter-virkning blir mulig å oppnå den nbdvendige diffusjonslengde, som ved en tykkelse Wnav midtskiktet på 300^u og dermed en tykkelse W på ca. 400 yu skal være storre enn 100^u. Videre er det viktig også å lede legeringsprosessen slik at en mest mulig stor diffusjonslengde forblir opprettholdt. Som inngående forsbk har vist,

er dette tilfellet når legeringstemperaturen velges i området mellem 700 og 750 °C.

Med disse metoder lar det seg gjore å oppnå diffusjons-lengder på 100 ai og mer. Der kan derfor fremstilles tyristorer hvis midtskikt har en tykkelse W av 400^u, og hvis gjennemslipnings-spenning allikevel utgjor mindre enn 1,4 V ved en strom-o

tetthet av 200 A/cm\

For enkelhets skyld og for å létte forståelsen har oppfinnelsen vært beskrevet under den forutsetning at et n-ledende innerskikt som er dotert jevnt og svakere enn alle bvrige skikt, danner skiktrekkefblgens kjerneområde, til hvilket der på begge sider slutter seg p-ledende skikt som i sin tur på yttersiden grenser til hbyt doterte områder, nemlig det ene med pn-overgang til et n-ledende skikt og det. annet uten pn-overgang til et p-ledende område. Men det er uten videre innlysende at den samme lære og supplementene til denne i alle sine detaljer har gyldighet og er anvendelig også for tilfellet av ombyttede ledningsevne-typer p og n, d.v.s. for en skiktrekkefblge med p-ledende kjerneskikt med laveste doteringskonsentrasjon og tilsvarende hbyere konsentrasjoner i de ytterligere skikt, idet man da bare for de angitte konsentrasjonsverdier på kjent måte får å sette inn de tilsvarende hbyere motstandsverdier av det p-ledende silisium.

Claims (1)

1. Styrbart halvleder-likeretter-element for sterkstrSm med et I det vesentlige mono-krystallinsk silisiumlegeme med skiktrekkefblge pnpn resp. npnp, hvis fbrste innerskikt har en doteringskonsentras jon som er nesten konstant over hele skikttykkelsen og er lavere enn doteringskonsentrasjonene i det annet innerskikt og i begge ytterskiktene, karakterisert ved at det fbrste innerskikt (2) er 200 til 300 /u tykt, og at dets doteringskonsentras jon utgjOr 2,5 . IO1* til 1,5 . lO1^ cm"3.;2. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at diffusjonslengden ved hoye injeksjoner, svarende til et strbmtetthetsr-område 10 kjcm til 200 A/cm , er storre enn en fjerdedel av tykkelsen (W) av det midtre område som ved strSmgjennem-gang i gjennemslipningsretningen fylles med injiserte ladingsbærere, og som er begrenset på sin ene side av et hoyt dotert ytre delområde (8) av det fOrste ytterskikt (4# 8) og på sin annen side a <y> det annet ytterskikt (5).;3» Likeretterelement som angitt i krav 2, karakterisert ved at diffusjonslengden (L) er stbrre enn 100 yu.;4. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at doteringskonsentrasjonen i det annet innerskikt (3) har et forlOp som fra det fOrste innerskikt (2) og utover stiger med flere tierpotenser.;5» Likeretterelement som angitt i krav 4»karakterisert ved at forlfipet av doteringskonsentrasjonene i det annet innerskikt (3) og i det til det forste innerskikt (2) grensende svakere doterte indre delområde (4) av det f6rste ytterskikt (4# 8) er symmetrisk.;6. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at det& nnét ytterskikt (5) og det ytre delområde (8) av det f6rste ytterskikt (4, 8) har en doteringskonsentrasjon av ca. 10 cm <*> eller h8yere.

7. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakteri sert ved at det forste innerskikt (2) er n-ledende og dets spesifike motstand utgj6r 40 til 120 ohm.cm.

8. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at det fOrste innerskikt (2) er p-ledende og dets spesifike motstand utgjOr 120 til 360 ohm.cm.

9» Fremgangsmåte til fremstilling av et likeretterelement som angitt i krav 2, karakterisert ved at diffusjonslengden ved diffunderingen bringes på den Onskede verdi ved hjelp av en getterprosess i en kvartsampulle innvendig belagt med silisiummonoksyd. 10. Fremgangsmåte til fremstilling av et likeretterelement som angitt i krav 2 og 3» karakterisert ved at det ytre delområde (8) av det f5rste ytterskikt (4# 8) fremstilles ved hjelp av en legeringsprosess ved en legeringstemperatur mellem 700 og 7500 C.