WO1998059376A1 - Bipolarer schalttransistor mit verringerter sättigung - Google Patents

Bipolarer schalttransistor mit verringerter sättigung Download PDF

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WO1998059376A1
WO1998059376A1 PCT/EP1998/003295 EP9803295W WO9859376A1 WO 1998059376 A1 WO1998059376 A1 WO 1998059376A1 EP 9803295 W EP9803295 W EP 9803295W WO 9859376 A1 WO9859376 A1 WO 9859376A1
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zone
switching transistor
transistor according
doped collector
bipolar switching
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PCT/EP1998/003295
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Hartmut Harmel
Heinrich Schlangenotto
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Temic Telefunken Microelectronic Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/30—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by physical imperfections; having polished or roughened surface
    • H01L29/32—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by physical imperfections; having polished or roughened surface the imperfections being within the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/08—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/0821—Collector regions of bipolar transistors

Definitions

  • Bipolar transistors for higher reverse voltages generally have an npn structure with a collector zone which is in a weakly doped Zone for receiving the voltage and a subsequent highly doped N + zone with the collector contact is divided.
  • Such transistors are usually operated in the switched-on state in the quasaturation region close to the transition to saturation.
  • the weakly doped collector zone is then up to a narrow area near the Transition flooded with injected carriers of high concentration. In this mode of operation, both the forward losses and the dynamic losses are small. If the collector current i c now decreases for a given base current i B , the transistor changes to the state of saturation, in which the injection level is also high at the N " N + transition.
  • the hole concentration at the N ' N + transition is approximately as large as on the base side of the N ' zone. This is then called strong saturation.
  • a transition from quasaturation to saturation can also take place with increasing temperature, since the current amplification factor increases with temperature
  • saturation results in a lower collector-emitter voltage V CE and thus lower transmission losses, long switch-off times and large switching losses occur when switching off, so that the total losses at high frequencies increase sharply due to saturation the service life of the minority charge carriers must be large in order to achieve a high current amplification factor at high frequencies, the temperature can run up uncontrollably (thermal run away) and the component can be destroyed.
  • the service life is often not given the very high value of e.g. B. 80 ⁇ s, which is observed after the high-temperature processes for producing the doping structure, but reduces it to a smaller, but still high value of z. B. 20 ⁇ s by irradiating the semiconductor with high energy electrons.
  • the resulting reduction in the current amplification factor can be compensated for within certain limits by lowering the current density by increasing the active semiconductor area, since this results in an increase in the current amplification factor.
  • the reduction in switching losses that can be achieved in this way is kept within narrow limits, and the increase in losses with temperature remains strong. Therefore, thermal runaway can often not be prevented at the desired high switching frequencies. This measure is also expensive due to the associated enlargement of the semiconductor area.
  • the vertical structure of the diode corresponds to the base-collector structure of the transistor, but is laterally offset from the transistor. Due to the voltage drop at the base series resistor, the diode is strongly polarized in the forward direction when the transistor changes to saturation. Therefore, the outer base current largely flows through the diode without driving the transistor, so that a high saturation is prevented.
  • a disadvantage is that the diode has to be removed when the transistor is switched off and the switch-off is thereby delayed.
  • the integration the resistance and the diode also requires a significant increase in the chip area. The control power and the heating of the chip is increased as a result of the resistance. Its design is only optimal for a certain base current.
  • GB 2 276 981 A it is known to include the emitter connection to connect the P region of a PN N + diode, which, as in the above case, is formed by the P zone separated from the base and the collector structure of the transistor.
  • the diode is antiparallel to the collector-emitter path of the transistor.
  • a lateral PNP transistor is formed by the base and the weakly doped collector zone of the transistor that comes to the surface as well as the p-zone of the diode. If the potential of the main transistor collector is negative with respect to the base, then the PNP transistor is turned on by electron current from the collector.As a result, the outer base current flows partly to the collector of the PNP transistor, so that the main transistor is turned off less.
  • Emitter base transition as an extension of the base collector transition of the main transistor is polarized in the forward direction. This reduces the current amplification factor
  • Irradiation with protons or ⁇ - ⁇ e ⁇ lchen can locally limited layers in semiconductor devices
  • the use of proton and ⁇ radiation to reduce the switching losses of IGBTS, which have an N-buffer zone in front of the anode-side P + zone, is further described.
  • the recombination layer should be located in the N " zone just before the N buffer zone.
  • the irradiation can take place from the front or back of the semiconductor wafer. Since the proton irradiation is associated with a generally disruptive n-doping, practical component production is used mostly uses ⁇ -radiation, mainly to produce fast power diodes with a soft return current drop.
  • the object of the invention is to provide a switching transistor for higher reverse voltages, which prevents a strong saturation of its own accord and which has only small losses when switched off from a state with a small collector current or a high base current. These goals are to be achieved without the disadvantages of the known anti-saturation integrations. It is a further object of the invention to increase the current amplification factor in the state of quasi-saturation or, alternatively, to reduce the active area required for a given current amplification factor.
  • the solution to this problem according to the invention is to adjust the service life in the base and the adjacent region of the weakly doped collector zone to a point close to the N " N + junction in a narrow manner solely with a view to a high current amplification factor, ie very large
  • the area before the N ' N + transition is smaller by at least about two powers of 10.
  • the zone of short life is preferably generated by proton radiation from the rear of the pane.
  • the current amplification factor during rated operation is increased by the large service life value in the N ⁇ zone outside the recombination layer, with which no consideration is given to small switching losses.
  • the current density can be increased and the chip area for a given collector current can be selected to be significantly smaller than in known transistors.
  • the doping effect associated with proton radiation can also be used to increase the current amplification factor for a given V CE and to enlarge the safe working area (SOA area).
  • SOA area safe working area
  • Figure 1a shows the chip cell of a strip-shaped transistor in
  • Figure 1 b shows the life profile in a known transistor and a transistor according to the invention
  • FIG. 2 shows a vertical doping profile together with charge carrier distributions in the switched-on state
  • FIG. 3a shows the charge carrier distributions when switching off from a small collector current in a known transistor at different times
  • FIG. 3b shows the charge carrier distributions when switching off from a small collector current in a transistor according to the invention at different times
  • FIG. 4a shows the current profiles when switching off from a small collector current in a known transistor in an ohmic test circuit
  • FIG. 4b shows the current profiles when switching off from a small collector current in a transistor according to the invention in an ohmic test circuit
  • FIG. 5 shows vertical doping profiles of the transistor measured according to the spreading resistance method for two different energies of the radiation.
  • N + collector zone 1 which is provided with a collector metallization c
  • the lightly doped N ' collector zone 2 which is followed by the p-type base zone 3, into which the N + - Emitter zone 4 is embedded.
  • the emitter zone is provided with a metallization and an emitter connection E
  • the base zone 3 is also provided with a metallization and a base connection B in the region not covered by the emitter zone.
  • This doping structure can be largely the same in the transistor according to the prior art and the transistor according to the invention.
  • the latter differs from the known transistor in that a recombination layer 5 is arranged in the weakly doped N ' collector zone at the transition to the highly doped collector zone, which is shown hatched in FIG. 1a. within the recombination layer 5 the service life of the minority charge carriers decreases by at least about two powers of ten.
  • 1b shows the vertical profile of the lifetime ⁇ of the charge carriers in a known (dashed line) and a transistor according to the invention (solid line) with the doping structure according to FIG. 1a. More precisely, the lifetime ⁇ is defined in the N ' zone as the lifetime with high injection, since this determines the recombination there.
  • the lifetime ⁇ in the known transistor has a constant high value over the entire N " zone and a little further into the N + collector zone a constant recombination center density.
  • the lifespan is 20 ⁇ s.
  • the service life in the major part of the N ⁇ zone is also long and in the preferred case shown in FIG. 1b even longer than in the known transistor.
  • the collector end of the N ⁇ zone it is lowered by about three powers of ten over a range of about 10 ⁇ , in order to then rise again somewhat in the N + region .
  • Such a profile of the service life ⁇ can be generated by proton or ⁇ -particle irradiation from the collector or rear side of the semiconductor wafer.
  • the radiation energy must be set such that The range of the radiation corresponds to the depth at which the lifespan is to be reduced
  • the radiation dose together with the temperature and duration of the subsequent healing process determine the degree of lifespan reduction.
  • the recombination layer 5 with a short service life should not be flooded with charge carriers in the switched-on state during nominal operation. So that the collector emitter voltage is not too large, z. B. not greater than 2 V, the thickness of the recombination layer 5 must be sufficiently small. The more precise condition is that the thickness of this layer multiplied by its unmodulated specific resistance and the nominal current density should only result in a voltage drop, which is generally not greater than approximately 1 V to 1.5 V.
  • the effect of the recombination layer 5 is primarily determined by its recombination speed s, which is defined as being integral to the reciprocal lifetime over the thickness.
  • the recombination speed s should be greater than approximately 5000 cm / s.
  • the recombination layer 5 can also extend into the N + region. However, essentially only the part located in the N " region is effective, since the concentration of the minority charge carriers in the N + region is small. When the recombination speed s is specified, this therefore only relates to the part of the recombination layer 5 lying in the N " region In the case of a diffused N + collector region and thus a gradual transition between the N ⁇ and N + regions, the boundary between the two is defined in this context in such a way that the doping concentration there is 1 • 15 / cm 3 . One beyond that limit lying part of the recombination layer has only a greatly reduced effect (see FIG. 2).
  • the N " zone is flooded with electrons and holes from the emitter side with a concentration that is high compared to the doping. Only a small area at the N " The N + transition to the right of the dashed line is not covered by the conductivity modulation gate is thus in the state of quasi-saturation, but the collector-emitter voltage is still low due to the small thickness of the unmoduced area, and is approximately equal to 1.5 V in this case.
  • Curve c in FIG. 2 applies to the transistor according to the invention with a collector current reduced to the base current.
  • the Charge carrier concentration in the vicinity of the N ' N + junction is now approximately a power of ten smaller than at the junction to the p-zone and here also significantly smaller than for the known transistor.
  • FIG. 3a, 3b show how the charge carrier concentration in the N " zone of the known (FIG. 3a) and of the transistor according to the invention (FIG. 3b) is reduced when the device is switched off.
  • FIG. 4 the curves of the collector and base currents belonging to FIG. 3 are plotted.
  • the sharp reduction in the switch-off time in the transistor according to the invention appears immediately.
  • the shortening of the storage time during which the collector current remains constant is desirable, among other things, because the ohmic losses in circuits are often reduced as a result.
  • the losses in the transistor mainly arise during the fail phase, in which the current and voltage are high at the same time.
  • the turn-off losses in the transistor according to the invention are smaller by a factor of 3.5 than in the known transistor.
  • An important advantage of the transistor according to the invention is that the turn-off loss work, in contrast to conventional transistors, increases very little with temperature, as measurements show.
  • the service life in the part of the N ′ zone that does not belong to the recombination layer is preferably chosen to be longer than would be chosen in the known transistor with regard to the switching losses.
  • they are selected, for example, 70 ⁇ s, compared to 20 ⁇ s in the known one. This gives a higher current amplification factor for a given collector-emitter voltage V CE and a given collector current density j c . This can also be used by increasing the coil current density and adjusting the current amplification factor to the old value.
  • a smaller active semiconductor area is required, so that, apart from the great advantages of the recombination layer for the switching behavior, the manufacturing costs are also reduced.
  • the recombination layer in order to come to a further specification of the recombination layer, its thickness can be assumed to be small compared to the thickness w of the N ⁇ zone. If the collector current disappears and the base current is positive, then the electron and hole particle current flowing into the recombination layer applies
  • P p , p n mean the hole concentration in the N ⁇ zone at the
  • D Base side or the N + collector side (in the recombination layer), D the ambipolar diffusion constant and s the recombination rate the recombination layer.
  • the ambipolar diffusion length in the N " zone is assumed to be greater than the thickness w. From the requirement that the concentration p ⁇ at the recombination layer should be small compared to p p , the condition s>> D / w is obtained from the above equation Taking into account the numerical value for D in silicon, this can be described as
  • the injected charge carrier concentration at the N ⁇ N + junction in the switched-on state is small even when the collector current disappears or is low, so that saturation effects are largely eliminated.
  • the recombination layer can also be produced by irradiation with ⁇ -particles.
  • the required energies which are required as a result of the higher particle charge for a given thickness of the N + collector zone, must correspond to the desired depth of penetration
  • the proton radiation also calls a conductivity doping of n type in this layer.
  • the doping layer in the case of diodes, the breakdown voltage is reduced, since it lies at the pn junction, it can be used in the transistor according to the invention in order to further improve its switching properties.
  • the radiation energy and -Dose are chosen so that the additional n-conductivity generated is still clearly in the N ' zone in front of the N + -coilector area and the total doping increases there by about a factor of 2 to 10. It is hereby achieved that during nominal operation in which this layer is not flooded with charge carriers, the collector emitter voltage V CE is reduced for a given current gain factor h FE or the current gain factor h FE is increased for a given V CE .
  • the doping effect can be used for transistors with an epitaxial N '" " structure to a further important advantage.
  • Such transistors have only a small SOA area.
  • a buffer zone with medium doping is often arranged between the weakly and the highly doped collector zone.
  • a second breakdown which is caused by excessive field strength at the N ⁇ N " " junction at higher current densities and voltages, can be prevented or postponed to higher current and voltage values.
  • the doping layer generated by the proton radiation is now used in order to achieve a similar SOA region without the epitaxial buffer zone of known transistors.
  • the epitaxial buffer zone is now omitted and the doping layer generated by the proton radiation is used to achieve a similar SOA region.
  • the starting wafers are cheaper and in addition the improvements described can be achieved by the recombination layer.
  • two or more different energies are irradiated, each of which differs by approximately 100 to 150 kev. As a result of the different range of the individual components, a relatively homogeneous doping can be achieved in the recombination layer.
  • FIG. 5 shows vertical doping profiles of a transistor according to the invention for two different energies of the radiation.
  • the profiles were measured using the spreading resistance method.
  • the energies in the exemplary embodiment given were 4.45 Mev (dashed line in FIG. 5) and 4.6 Mev (solid line in FIG. 5), the radiation dose, with a thickness of the highly doped collector zone 1 of approximately 180 ⁇ m was l »l ⁇ 12 / cm 2 .
  • the two radiation energies used differ by 150 kev.
  • the absolute value must be adapted to the thickness of the N + zone and the collector contact in individual cases. In this case, the doping concentration in the area of the recombination layer is increased by approximately a factor of 4, as the figure shows.

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Abstract

Es wird ein bipolarer Schalttransistor beschrieben, der aus einer hoch dotierten Emitterzone (4) mit n-Leitfähigkeit, einer darauf folgenden Basiszone (3) mit p-Leitfähigkeit, einer darauf folgenden schwach dotierten Kollektorzone (2) mit n-Leitfähigkeit und einer sich daran anschliessenden hoch dotierten Kollektorzone (1) mit n-Leitfähigkeit besteht. Dabei ist die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der Basis (3) und dem Bereich der schwach dotierten Kollektorzone (2) bis nahe an den n<->n<+>-Übergang heran sehr hoch. Um einen Schalttransistor für höhere Sperrspannungen zu schaffen, der eine starke Sättigung von sich aus verhindert und der bei Abschalten aus einem Zustand mit kleinem Kollektorstrom oder hohem Basisstrom nur geringe Verluste aufweist, ist eine Rekombinationsschicht (5) innerhalb der schwach dotierten Kollektorzone (2) an der Grenzschicht zur hoch dotierten Kollektorzone (1) angeordnet, in der im Vergleich zur schwach dotierten Kollektorzone (2) die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger um mindestens etwa zwei Zehnerpotenzen kleiner ist.

Description

Beschreibung
Bipolarer Schalttransistor mit verringerter Sättigung
Bipolartransistoren für höhere Sperrspannungen haben im allgemeinen eine npn - Struktur mit einer Kollektorzone, die in eine schwach dotierte
Figure imgf000003_0001
Zone zur Aufnahme der Spannung und eine darauf folgende hoch dotierte N+-Zone mit dem Kollektorkontakt unterteilt ist. solche Transistoren betreibt man im eingeschalteten Zustand üblicherweise im Bereich der Quasisättigung nahe am Übergang zur Sättigung. Die schwach dotierte Kollektorzone ist dann bis auf einen schmalen Bereich in der Nähe des
Figure imgf000003_0002
Übergangs mit injizierten Ladungsträgern hoher Konzentration überschwemmt. Bei dieser Betriebsweise sind sowohl die Durchlassverluste als auch die dynamischen Verluste klein. Nimmt der Kollektorstrom ic bei gegebenem Basisstrom iB nun ab, so geht der Transistor in den zustand der Sättigung über, bei dem das Injektionsniveau auch am N"N+-Übergang hoch ist. Bei ic < iB wird die Löcherkonzentration am N'N +-Übergang annähernd so groß wie an der Basisseite der N'-Zone. Man spricht dann von starker Sättigung. Ein Übergang von der Quasisättigung in die Sättigung kann auch bei Erhöhung der Temperatur erfolgen, da der Stromverstärkungsfaktor mit der Temperatur zunimmt. Die Sättigung hat zwar eine geringere Kollektor- Emitter-Spannung VCE und damit geringere Durchlassveriuste zur Folge. Jedoch treten beim Abschalten lange Abschaltzeiten und große Schaltverluste auf, so daß die Cesamtverluste bei hohen Frequenzen durch die Sättigung stark zunehmen. Von Bedeutung ist dabei, daß man die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger groß wählen muß, um einen hohen Stromverstärkungsfaktor zu erzielen. Da die Verluste mit der Temperatur ansteigen, kann es bei hohen Frequenzen zu einem unkontrollierten Hochiaufen der Temperatur (thermisches weglaufen) und zur Zerstörung des Bauelements kommen.
Grundsätzlich ist für derartige Bauelemente auch eine pnp-struktur möglich. Die N, N", N+ schichten sind dann durch entsprechend dotierte P, P", P+ schichten ersetzt. Nachfolgende Ausführungen lassen sich daher in analoger weise auf eine komplementäre Struktur anwenden.
Um die Schaltverluste zu verkleinern, läßt man die Lebensdauer oft nicht bei dem sehr hohen wert von z. B. 80 μs, den man nach den Hochtemperaturprozessen zur Erzeugung der Dotierungsstruktur beobachtet, sondern reduziert sie auf einen kleineren, aber immer noch hohen Wert von z. B. 20 μs, indem man den Halbleiter mit Elektronen hoher Energie bestrahlt. Die dadurch verursachte Verringerung des Stromverstärkungsfaktors kann man in bestimmten Grenzen kompensieren, indem man die stromdichte durch eine Vergrößerung der aktiven Halbleiterfläche erniedrigt, da dies eine Erhöhung des Stromverstärkungsfaktors zur Folge hat. Jedoch hält sich die so erzielbare Verkleinerung der Schaltverluste in engen Grenzen, und der Anstieg der Verluste mit der Temperatur ist unverändert stark. Daher ist ein thermisches weglaufen bei den gewünschten hohen Schaltfrequenzen oft nicht zu verhindern. Auch ist diese Massnahme durch die damit verbundene Vergrößerung der Halbleiterfiäche teuer.
Andererseits werden oft externe oder interne Beschaltungen verwendet, um eine starke Sättigung zu verhindern. Jedoch sind externe Beschaltungen ebenfalls kostenaufwendig und nehmen außerdem viel Raum in Anspruch. Es werden daher Transistoren angeboten, die solche Schaltungen monolithisch integriert enthalten. Bei Transistoren für niedrige Sperrspannung kann die Sättigung durch eine "Clamp-Diode" vom Schottky-Typ, die zwischen Basis und Kollektor angeordnet ist, weitgehend verhindert werden. Eine auch auf hochsperrende Transistoren anwendbare Methode besteht darin, daß der äußere Basisanschluß nur über einen integrierten Vorwiderstand mit der Basis des Transistors verbunden ist, andererseits aber unmittelbar mit dem P-Gebiet einer PN'N+-Diode, deren kathodenseitige Elektrode vom Kollektor des Transistors mitgebildet wird. Die Diode stimmt in ihrer vertikalen Struktur mit der Basis-Kollektor-Struktur des Transistors überein, ist lateral aber vom Transistor abgesetzt, infolge des Spannungsabfalls am Basisvorwiderstand wird die Diode bei Übergang des Transistors in die Sättigung stark in Durchlassrichtung gepolt. Daher fließt der äußere Basisstrom zum großen Teil durch die Diode ab, ohne den Transistor aufzusteuern, so daß eine starke Sättigung verhindert wird. Ein Nachteil ist, daß die Diode beim Abschalten des Transistors mit ausgeräumt werden muß und das Abschalten dadurch verzögert wird. Die Integration des Widerstandes und der Diode macht auch eine deutliche Vergrößerung der Chipflache erforderlich Auch die Steuerleistung und die Erwärmung des Chips ist infolge des Widerstandes erhöht Seine Auslegung ist nur für einen bestimmten Basisstrom optimal Aus der GB 2 276 981 A ist es bekannt, den Emitteranschluß auch mit dem P- Gebiet einer PN N+-Dιode zu verbinden, die wie in obigem Fall durch die von der Basis getrennte P-Zone und die Kollektor-Struktur des Transistors gebildet wird. Die Diode liegt zur Kollektoremitterstrecke des Transistors antiparallel Gleichzeitig wird durch die Basis und die an die Oberflache tretende schwach dotierte Kollektorzone des Transistors sowie die p-zone der Diode ein lateraler PNP-τransιstor gebildet Wird das Potential des Kollektors des Haupttransistors gegenüber der Basis negativ, so wird der PNP-Transistor durch Elektronenstrom aus dem Kollektor aufgesteuert Infolgedessen fließt der äußere Basisstrom zum Teil zum Kollektor des PNP- Transistors ab, so daß der Haupttransistor weniger aufgesteuert wird Für den so erzielten Antisattigungseffekt ist hier eine wesentliche Vergrößerung der Chipflache erforderlich Untersuchungen haben ferner ergeben, daß die Anordnung weniger effektiv ist, wenn die kollektorseitige N+-Zone durch eine tiefe Diffusion hergestellt ist (dreifach diffundierte Transistoren), was bei hoch sperrenden Transistoren die kostengünstigste Methode ist Beim
Abschalten aus der Sättigung bleibt bei diesen Transistoren ein Ladungstragerberg am +-Ubergang zurück, der nicht schnell ausgeräumt wird und somit zu einem erhöhten Schweifstrom fuhrt Nachteilig ist ferner, daß der äußere Basisstrom auch im Zustand der Quasisattigung zum Teil zum Kollektorgebiet des PNP-Transistors abfließt, da dessen
Emitterbasisubergang als Verlängerung des Basiskollektorubergangs des Haupttransistors in Durchlassrichtung gepolt ist Dadurch wird der Stromverstarkungsfaktor reduziert
Durch Bestrahlung mit Protonen oder α-τeιlchen können in Halbleiterbauelementen lokal begrenzte schichten mit
Rekombinationszentren erzeugt werden, deren Anwendung in "Archiv für Elektrotechnik", Bd 72, 1989, S 133-140, zusammenfassend beschrieben wird Bei P+N N+-Leιstungsdιoden wird durch eine Rekombinationsschicht am P+N-Ubergang ein weiches Recovery-Verhalten mit kleiner Ruckstrom- spitze erreicht Bei GTO-Thyristoren können der beim Abschalten auftretende Schweifstrom und die Abschaltverluste durch eine Rekombinationsschicht in der N-Basis in der Nahe des anodenseitigen P+N- Übergangs wesentlich verringert werden. In dem Konferenzband des "international Symposion on Semiconductor Devices & ics", ISPSD'96, 1996, s. 335- 338, wird weiter die Anwendung der Protonen- und α-Bestrahlung zur Reduzierung der Schaltverluste von IGBTS beschrieben, die eine N- Bufferzone vor der anodenseitigen P+-Zone aufweisen. Die Rekombinationsschicht soll hier in der N"-zone kurz vor der N-Bufferzone liegen. Die Bestrahlung kann von der Vorder- oder Rückseite der Halbleiterscheibe erfolgen. Da die Protonenbestrahlung mit einer im allgemeinen störenden n-Dotierung verbunden ist, wird in der praktischen Bauelementherstellung meistens die α-Bestrahlung verwendet, hauptsächlich um schnelle Leistungsdioden mit weichem Rückstromabfall herzustellen.
Bei Bipolartransistoren ist die Protonen- und α-Bestrahlung weder aus der Fachliteratur noch von der praktischen Bauelementherstellung her bekannt. Da die Lebensdauer der Ladungsträger bei Transistoren für höhere Sperrspannungen wie zuvor beschrieben hoch sein muß und sie durch die Protonen- und α-strahlen stark reduziert wird, wurde bisher keine Möglichkeit gesehen, dadurch die Eigenschaften dieser Transistoren zu verbessern. Aufgabe der Erfindung ist es, einen schaittransistor für höhere Sperrspannungen zu schaffen, der eine starke Sättigung von sich aus verhindert und der bei Abschalten aus einem zustand mit kleinem Kollektorstrom oder hohem Basisstrom nur geringe Verluste aufweist. Diese Ziele sollen ohne die Nachteile der bekannten Antisättigungsintegrationen erreicht werden. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, den Stromverstärkungsfaktor im zustand der Quasisättigung zu erhöhen bzw. alternativ dazu die für einen vorgegebenen Stromverstärkungsfaktor erforderliche aktive Fläche zu verkleinern.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, die Lebensdauer in der Basis und dem benachbarten Bereich der schwach dotierten Kollektorzone bis zu einem Punkt nahe am N"N+-übergang allein mit Rücksicht auf einen hohen Stromverstärkungsfaktor, d. h. sehr groß, einzustellen, in einem engen Bereich vor dem N'N+-Übergang aber um mindestens etwa zwei Zehnerpotenzen kleiner. Die Zone kleiner Lebensdauer wird vorzugsweise durch Protonenbestrahlung von der Rückseite der Scheibe her erzeugt. Die vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Verluste bei Abschalten aus einem zustand kleinen Kollektorstroms wesentlich niedriger sind als bei bekannten Transistoren und daß sie wesentlich weniger mit der Temperatur ansteigen. Gegenüber Transistoren mit Antisättigungsintegration sind die vorteile besonders groß, wenn die kollektorseitige N+-Zone durch eine tiefe Diffusion hergestellt ist. Gleichzeitig wird der Stromverstärkungsfaktor bei Nennbetrieb (Kollektorstrom groß gegen Basisstrom) durch den großen Lebensdauerwert in der N~-zone außerhalb der Rekombinationsschicht, mit dem keine Rücksicht auf kleine Schaltverluste genommen wird, heraufgesetzt. Bei vorgegebenem Mindeststromverstärkungsfaktor kann die stromdichte erhöht und damit die Chipfläche für gegebenen Kollektorstrom wesentlich kleiner gewählt werden als bei bekannten Transistoren. Weiterhin kann auch der mit der Protonenbestrahlung verbundene Dotierungseffekt genutzt werden, um den Stromverstärkungsfaktor bei gegebenem VCE zu erhöhen und den sicheren Arbeitsbereich (SOA-Bereich) zu vergrößern. Bei epitaktischen N~N ""-Strukturen kann eine N-Bufferzone zwischen der N"-Schicht und der N+'Kollektorzone, die zur Vergrößerung des SOA-Bereichs verwendet wird, in der Regel entfallen.
Kurze Beschreibung der Figuren: Figur 1a) zeigt die Haibzelle eines streifenförmigen Transistors im
Querschnitt;
Figur 1 b) zeigt das Lebensdauerprofil in einem bekannten Transistor und einem Transistor nach der Erfindung;
Figur 2 zeigt ein vertikales Dotierungsprofil zusammen mit Ladungsträgerverteilungen im eingeschalteten zustand
(Kurven A, B und O. Es gelten
Kurve A bei Nennbetrieb (ic = lθiB = 100 mA/cm) sowohl für den bekannten als auch für den erfindungsgemäßen
Transistor; Kurve B bei reduziertem Kollektorstrom (ic= iB = 10mA/cm) für den bekannten Transistor;
Kurve C bei reduzierten Kollektorstrom (ic = iB =10 mA/cm) für den Transistor nach der Erfindung;
Figur 3a zeigt die Ladungsträgerverteilungen bei Abschalten aus kleinem Kollektorstrom in einem bekannten Transistor zu verschiedenen Zeitpunkten; Figur 3b zeigt die Ladungsträgerverteilungen bei Abschalten aus kleinem Kollektorstrom in einem erfindungsgemäßen Transistor zu verschiedenen Zeitpunkten;
Figur 4a zeigt die Stromverläufe bei Abschalten aus kleinem Kollektorstrom in einem bekannten Transistor in einer ohmschen Testschaltung;
Figur 4b zeigt die Stromverläufe bei Abschalten aus kleinem Kollektorstrom in einem erfindungsgemäßen Transistor in einer ohmschen Testschaltung; Figur 5 zeigt vertikale Dotierungsprofile des Transistors gemessen nach der Spreading-Resistance-Methode für zwei verschiedene Energien der Bestrahlung.
Fig. 1a zeigt den Querschnitt einer Halbzelle eines streifenförmigen Transistors. Auf eine hoch dotierte N+-Kollektorzone 1, die mit einer Kollektormetallisierung c versehen ist, folgt die schwach dotierte N'- Kollektorzone 2, an die sich die p-leitende Basiszone 3 anschließt, in die in einem Teilbereich der Fläche die N+-Emitterzone 4 eingebettet ist. Die Emitterzone ist mit einer Metallisierung und einem Emitteranschluß E versehen, ebenso ist die Basiszone 3 in dem nicht von der Emitterzone bedeckten Bereich mit einer Metallisierung und einem Basisanschluß B versehen. Diese Dotierungsstruktur kann im Transistor nach dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Transistor weitgehend gleich sein. Letzterer unterscheidet sich vom bekannten Transistor aber dadurch, daß sich in der schwach dotierten N'-Kollektorzone am Übergang zur hoch dotierten Kollektorzone eine Rekombinationsschicht 5 angeordnet ist, die in der Figur 1a schraffiert eingezeichnet ist. innerhalb der Rekombinationsschicht 5 nimmt die Lebensdauer der Minoritätsladungstrager um mindestens etwa zwei Zehnerpotenzen ab. in Fig. 1b ist das vertikale Profil der Lebensdauer τ der Ladungsträger in einem bekannten (gestrichelte Linie) und einem erfindungsgemäßen Transistor (durchgezogene Linie) mit der Dotierungsstruktur nach Fig. 1a aufgetragen. Genauer ist die Lebensdauer τ dabei in der N'-Zone als die Lebensdauer bei hoher Injektion definiert, da diese die Rekombination dort bestimmt. Wie es die gestrichelte Linie zeigt, hat die Lebensdauer τ im bekannten Transistor über die ganze N"-Zone hinweg und noch ein Stück in die N+-Kollektor Zone hinein einen konstanten hohen Wert entsprechend einer konstanten Rekombinationszentrendichte. Im vorliegenden Fall beträgt die Lebensdauer 20 μs. im Transistor nach der Erfindung ist die Lebensdauer im überwiegenden Teil der N~Zone ebenfalls groß und in dem in der Figur 1b dargestellten, bevorzugten Fall sogar größer als im bekannten Transistor. Am kollektorseitigen Ende der N~Zone aber ist sie über einen Bereich von etwa 10 μ um etwa drei Zehnerpotenzen abgesenkt, um dann im N+-Gebiet wieder etwas anzustreigen. Es befindet sich also am kollektorseitigen Ende des N"-Gebietes eine Rekombinationsschicht 5. Ein solches Profil der Lebensdauer τ kann man durch Protonen- oder α- Teilchenbestrahlung von der Kollektor- oder Rückseite der Halbleiterscheibe aus erzeugen. Dabei ist die Bestrahlungsenergie so einzustellen, daß die Reichweite der Strahlung der Tiefe entspricht, in der die Lebensdauer erniedrigt werden soll. Die Bestrahlungsdosis zusammen mit der Temperatur und Zeitdauer des darauf folgenden Ausheilprozesses bestimmen den Grad der Lebensdauerabsenkung.
Die Rekombinationsschicht 5 mit kleiner Lebensdauer soll im eingeschalteten zustand bei Nennbetrieb nicht mit Ladungsträgern überschwemmt werden. Damit die Kollektoremitterspannung trotzdem nicht zu groß wird, z. B. nicht größer als 2 V, muß die Dicke der Rekombi- nationsschicht 5 genügend klein sein. Die genauere Bedingung ist, daß die Dicke dieser Schicht multipliziert mit ihrem unmodulierten spezifischen Widerstand und der Nennstromdichte nur einen Spannungsabfall ergeben soll, der im Regelfall nicht größer als etwa 1 V bis 1.5 V ist.
Die Wirkung der Rekombinationsschicht 5 wird vor allem durch ihre Rekombinationsgeschwindigkeit s bestimmt, die als integral der reziproken Lebensdauer über die Dicke definiert ist. Beim erfindungsgemäßen Transistor soll die Rekombinationsgeschwindigkeit s größer als etwa 5000 cm/s sein. Eine zusätzliche Festlegung wird weiter unten angegeben.
Die Rekombinationsschicht 5 kann sich auch in das N+-Gebiet hinein erstrecken. Jedoch ist im wesentlichen nur der im N"-Gebiet liegende Teil wirksam, da die Konzentration der Minoritätsladungstrager im N+-Gebiet klein ist. Bei Festlegungen der Rekombinationsgeschwindigkeit s bezieht sich diese daher nur auf den im N"-Gebiet liegenden Teil der Rekombinationsschicht 5. Bei diffundiertem N+-Kollektorgebiet und somit graduellem Übergang zwischen N~- und N+-Gebiet wird die Grenze zwischen beiden in diesem Zusammenhang so definiert, daß die Dotierungskonzentration dort 1 • lθ15/cm3 beträgt. Ein hinter dieser Grenze liegender Teil der Rekombinationsschicht ist nur stark vermindert wirksam (siehe Fig. 2).
Das vertikale Dotierungsprofil eines bekannten und erfindungsgemäßen Transistors in einem durch den Emitter verlaufenden schnitt ist in Fig. 2 aufgetragen. Es handelt sich um einen dreifach diffundierten Transistor mit einer Sperrfähigkeit der Basis-Kollektorstruktur, VCB0, von etwa 1700 V. Auch Elektronen- und Löcherverteilungen, die für verschiedene Fälle im eingeschalteten zustand durch numerische Simulation berechnet wurden, sind eingezeichnet (Kurven A, B, o. Bei einem Kollektorstrom pro Emitterrandlänge von 100 mA/cm und einem 10-fach kleineren Basisstrom (Stromverstärkung ß = 10) ergibt sich für den bekannten und den erfindungsgemäßen Transistor die gleiche durch die Kurve A gegebene Ladungsträgerverteilung. Die Lebensdauer in dem von der Leitfähigkeitsmodulation erfaßten Teil der N"-Zone ist dabei in beiden Fällen gleich 20 ms. Die N"-Zone ist von der Emitterseite her mit Elektronen und Löchern überschwemmt mit einer Konzentration, die hoch ist gegenüber der Dotierung. Nur ein kleiner Bereich am N"N+-Übergang rechts der gestrichelten Linie ist nicht von der Leitfähigkeitsmodulation erfaßt. Der Transistor befindet sich somit im Zustand der Quasisättigung, jedoch ist die Kollektoremitterspannung wegen der geringen Dicke des unmoduiierten Gebiets noch gering, und zwar etwa gleich 1.5 V in diesem Fall.
Bei Erniedrigung des Kollektorstroms geht der Transistor bei gegebenem Basisstrom bald in die Sättigung. Die Sättigungsverteilung in dem bekannten Transistor bei einer um den Faktor 10 reduzierten Kollektorstromdichte und unverändertem Basisstrom ist in Fig. 2 als Kurve B eingezeichnet. Der Kollektor- und Basisstrom sind gleich und betragen pro Emitterrandlänge 10 mA/cm. Wie zu erkennen, ist die Injektion nun in der ganzen N"-Zone bis in die N+-Zone hinein hoch. Wie oben beschrieben, hat das hohe Abschaltverluste zur Folge. Dabei ist die Lebensdauer mit 20 μs schon wesentlich niedriger angenommen, als man sie mit Rücksicht auf einen hohen stormverstärkungsfaktor allein wählen würde.
Die Kurve c in Fig. 2 gilt für den erfindungsgemäßen Transistor bei einem bis auf den Basisstrom reduzierten Kollektorstrom. Hierbei ist die Lebensdauer in der Schicht zwischen y = 140 und 150 μm auf einen wert von 50 ns reduziert, während sie im übrigen Teil der N"-Zone wie bei den Kurven A und B 20 μs beträgt, wie für Kurve B betragen die Stöme pro Emitterrandlänge 10 mA/cm. Wie zu erkennen, ist die Ladungsträgerkonzentration in der Umgebung des N'N+-Übergangs nun ungefähr um eine Zehnerpotenz kleiner als am Übergang zur p-zone und auch hier noch deutlich kleiner als für den bekannten Transistor.
In Fig. 3a, 3b ist dargestellt, wie die Ladungsträgerkonzentraton in der N" -Zone des bekannten (Fig. 3a) und des erfindungsgemäßen Transistors (Fig. 3b) beim Abschalten abgebaut wird. Die für die verschiedenen Zeitpunkte angegebenen Ladungsträgerverteilungen wurden für den Fall berechnet, daß mit negativem Basisstrom, der die Größe des positiven Basisstroms im eingeschalteten zustand hat, gegen eine äußere Spannung von 300 V abgeschaltet wird, wobei die Last als ohmsch angenommen ist. im eingeschalteten zustand, der bis zur Zeit t = 0 gilt, ist die gespeicherte Ladung Q = q Ipdx im Transistor nach der Erfindung um den Faktor 2.7 kleiner als im bekannten Transistor. Diese Ladung wird im erfindungsgemäßen Transistor beim Abschalten mit gleichem negativen Basisstrom entsprechend schneller ausgeräumt. Außer der kleineren anfänglichen Speicherladung wirkt sich beim Transistor nach der Erfindung auch günstig aus, daß während des Abschaltvorgangs viele Elektronen und Löcher zur Rekombinationsschicht fließen und dort rekombinieren. Das ist in Fig. 3b am Gradient der Ladungsträgerkonzentrationen zur Rekombinationsschicht hin zu erkennen. Der pn-übergang zwischen Basis und N'-kollektorzone ist beim bekannten Transistor nach 9 μs, beim erfindungsgemäßen Transistor nach etwa 2.5 μs von Ladungsträgern frei geräumt und beginnt zu sperren. Die dadurch definierte Speicherzeit ist demnach um den Faktor 3.6 reduziert. Auch die darauf folgende Phase der Fallzeit, in der die Spannung am Bauelement ansteigt und der Kollektorstrom abfällt, ist stark herabgesetzt.
In Fig. 4 sind die zu Fig. 3 gehörigen Verläufe von Kollektor- und Basisstrom aufgeplottet. Die starke Verkleinerung der Abschaltzeit beim erfindungsgemäßen Transistor tritt unmittelbar in Erscheinung. Die Verkürzung der Speicherzeit, während welcher der Kollektorstrom noch konstant bleibt, ist unter anderem deshalb erwünscht, weil die ohmschen Verluste in Schaltungen dadurch oft verkleinert werden. Die Verluste im Transistor entstehen überwiegend während der Failphase, in der Strom und Spannung gleichzeitig hoch sind. Im Fall des in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels sind die Abschaltverluste im erfindungsgemäßen Transistor um den Faktor 3.5 kleiner als im bekannten Transistor. Ein wichtiger vorteil des Transistors nach der Erfindung besteht darin, daß die Abschaltverlustarbeit zum Unterschied von üblichen Transistoren nur sehr wenig mit derjemperatur ansteigt, wie Messungen zeigen. Dies liegt in der Hauptsache darin begründet, daß die Rekombinationsgeschwindigkeit s zwar mit zunehmender Temperatur abnimmt, jedoch bei der angegebenen Festlegung auch bei erhöhter Temperatur, z.B. 150 °C, immer noch groß genug ist, um die Abschaltverluste nahe ihrem Minimum zu halten. Daß die durch die Protonenbestrahlung eingestellte Lebensdauer an sich schon weniger von der Temperatur abhängt als bei Elektronenbetrahlun, kommt als Nebeneffekt noch hinzu. in den Figuren 2 bis 4 war die Lebensdauer in der N'-Zone des erfindungsgemäßen Transistors außerhalb der Rekombinationsschicht wie im bekannten Transistor gleich 20 μs gesetzt, um allein den Einfluß der Rekombinationsschicht zu demonstrieren. Bevorzugt wird die Lebensdauer in dem nicht zur Rekombinationsschicht gehörenden Teil der N'-Zone aber größer gewählt, als man sie im bekannten Transistor mit Rücksicht auf die Schaltverluste wählen würde. Im erfindungsgemäßen Transistor wählt man sie beispielweise 70 μs, verglichen mit 20 μs im bekannten. Dadurch erhält man bei gegebener Kollektor-Emitter-Spannung VCE und gegebener Kollektorstromdichte jc einen höheren Stromverstärkungsfaktor. Dies kann man auch in der Weise nutzen, daß man die Koilektorstromdichte erhöht und den Stromverstärkungsfaktor auf den alten Wert einstellt. Somit benötigt man bei gleichem Stromverstärkungsfaktor für den gleichen Strom eine kleinere aktive Halbleiterfläche, so daß, abgesehen von den großen vorteilen der Rekombinationsschicht für das Schaltverhalten, außerdem die Fertigungskosten reduziert werden. um zu einer weiteren Spezifizierung der Rekombinationsschicht zu kommen, kann man ihre Dicke als klein gegen die Dicke w der N~-Zone voraussetzen. Bei verschwindendem Kollektorstrom und gegebenen positiven Basisstrom gilt dann für den Elektronen- und Löcherteilchenstrom, der in die Rekombinationsschicht fließt,
D = s - p„ - w
Dabei bedeuten pp, pn die Löcherkonzentration in der N~-Zone an der
Basisseite bzw. der N+-Kollektorseite (in der Rekombinationsschicht), D die ambipolare Diffusionskonstante und s die Rekombinationsgeschwindigkeit der Rekombinationsschicht. Die ambipolare Diffusionslänge in der N"-Zone wird dabei größer als die Dicke w vorausgesetzt. Aus der Forderung, daß die Konzentration p^ an der Rekombinationsschicht klein gegenüber pp sein soll, erhält man aus obiger Gleichung die Bedingung s > > D/w. Unter Berücksichtigung des numerischen wertes für D in Silizium kann man dies umschreiben in
100cm2 / s s > . w
Bei dieser Wahl der Rekombinationsgeschwindigkeit ist die injizierte Ladungsträgerkonzentration am N~N +-übergang im eingeschalteten zustand auch bei verschwindendem oder geringem Kollektorstrom klein, so daß Sättigungseffekte weitgehend eliminiert sind.
Experimentelle Untersuchungen ergaben, daß Protonenbestrahlung mit einer Fluenz in dem Bereich 3 - l0 1/cm2 bis 3 - 10 2/cm2 in Verbindung mit einer nachfolgenden kurzen Ausheilung besonders geignet ist, eine Rekombinationsschicht mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Aber auch etwas außerhalb dieses Bereichs liegende Bestrahlungsdosen führen bei passender Ausheilung zu guten Ergebnissen. Da die zu durchstrahlende N+-Kollektorzone bei Transistoren relativ dick ist (>150 muß die Protonenenergie entsprechend hoch gewählt werden, in der Regel größer als 4 MeV. Auf die Protonenbestrahlung folgt ein Prozeßschritt zur Ausheilung. Dieser findet vorteilhaft bei 300-400°c und einer Zeitdauer von 5-20 Minuten statt. im Prinzip kann die Rekombinationsschicht auch durch Bestrahlung mit α- Teilchen erzeugt werden. Die erforderlichen Energien, die infolge der höheren Teilchenladung bei gegebener Dicke der N+-Kollektorzone benötigt wird, müssen entsprechend der gewünschten Eindringtiefe angepaßt werden. Im Gegensatz zur Bestrahlung mit Protonen tritt bei der Bestrahlung mit α-Teilchen kein zusätzlicher Dotierungseffekt auf. Bei Transistoren mit PNP-Struktur ist das sogar von vorteil. Wie schon erwähnt, ruft die Protonen bestrah tu ng außer der Rekombinationsschicht auch eine Leitfähigkeitsdotierung vom n-Typ in dieser Schicht hervor. Während die Dotierungsschicht bei Dioden die Durchbruchspannung reduziert, da sie am pn-übergang liegt, kann sie beim Transistor nach der Erfindung genutzt werden, um dessen Schalteigenschaften weiter zu verbessern. Die Bestrahlungsenergie und -dosis werden dazu so gewählt, daß die erzeugte zusätzliche n-Leitfähigkeit noch deutlich in der N'-Zone vor dem N+-Koilektorgebiet liegt und die Gesamtdotierung dort etwa um den Faktor 2 bis 10 erhöht. Hierdurch wird erreicht, daß bei Nennbetrieb, bei dem diese Schicht nicht mit Ladungsträgern überschwemmt ist, die Kollektoremitterspannung VCE bei gegebenem Stromverstärkungsfaktor hFE reduziert oder der Stromverstärkungsfaktors hFE bei gegebenem VCE erhöht wird. zu einem weiteren wichtigen vorteil kann der Dotierungseffekt bei Transistoren mit epitaktischer N' ""-Struktur genutzt werden. Solche Transistoren besitzen nur einen kleinen SOA-Bereich. Um den SOA-Bereich zu vergrößern, wird zwischen der schwach und der hoch dotierten Kollektorzone oft eine Bufferzone mittlerer Dotierung angeordnet. Dadurch kann ein zweiter Durchbruch, der bei höheren stromdichten und Spannungen durch zu hohe Feldstärke am N~N ""-Übergang hervorgerufen wird, verhindert oder zu höheren Strom- und Spannungswerten hinausgeschoben werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird nun die durch die Protonenbestrahlung erzeugte Dotierungsschicht genutzt, um ohne die epitaktische Bufferzone bekannter Transistoren einen ähnlichen SOA-Bereich zu erreichen. Das hat den vorteil, daß von kostengünstigeren Wafern ausgegangen werden kann und zusätzlich die beschriebenen Verbesserungen durch die Rekombinationsschicht erzielt werden. in einer Ausgestaltung der Erfindung wird nun die epitaktische Bufferzone fortgelassen und die durch die Protonenbestrahlung erzeugte Dotierungsschicht genutzt, um einen ähnlichen SOA-Bereich zu erreichen. Das hat den vorteil, daß die Ausgangswafer billiger sind und zusätzlich die beschriebenen Verbesserungen durch die Rekombinationsschicht erzielt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mit zwei oder mehreren verschiedenen Energien bestrahlt, die sich jeweils um etwa 100 bis 150 kev unterscheiden. Infolge der verschiedenen Reichweite der einzelnen Anteile kann so eine relativ homogene Dotierung in der Rekombinationsschicht erreicht werden.
Die Figur 5 zeigt vertikale Dotierungsprofile eines Transistors nach der Erfindung für zwei verschiedene Energien der Bestrahlung. Die Profile wurden nach der spreading-Resistance-Methode gemessen. Die Energien betrugen bei dem angegebenen Ausführungsbeispiel bei einer Dicke der hochdotierten Kollektorzone 1 von ca. 180 μm 4.45 Mev (gestrichelte Linie in Figur 5) und 4.6 Mev (durchgezogene Linie in Figur 5), die Bestrahlungsdosis war l»lθ12/cm2. Die beiden verwendeten Bestrahlungsenergien unterscheiden sich hier um 150 kev. Der Absolutwert muss im Einzelfall an die Dicke der N+-Zone und des Kollektorkontakts angepasst werden. Im diesem Fall ist die Dotierungskonzentration im Bereich der Rekombinations- schicht bis etwa um den Faktor 4 erhöht, wie die Figur zeigt. Durch Überlagerung der beiden durch die Bestrahlung erzeugten Dotierungsverläufe ergibt sich ein der N+-Zone vorgelagerter Bereich 140 < X < 160 μm mit annähernd konstanter erhöhter Dotierungskonzentration von etwa 2«101 /cm3. Dies führt zu den oben erwähnten Verbesserungen.

Claims

Patentansprüche
1. Bipolarer Schalttransistor bestehend aus einer hoch dotierten Emitterzone (4) mit n-Leitfähigkeit, einer darauf folgenden Basiszone (3) mit p-Leifähigkeit, einer darauf folgenden schwach dotierten Kollektorzone (2) mit n-Leitfähigkeit und einer sich daran anschließenden hoch dotierten Kollektorzone (1) mit n-Leitfähigkeit, wobei die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der Basis und dem Bereich der schwach dotierten Kollektorzone bis nahe an den Übergang zur hoch dotierten Kollektorzone (1) heran sehr hoch ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Rekombinationsschicht (5) innerhalb der schwach dotierten Kollektorzone (2) an der Grenzschicht zur hoch dotierten Kollektorzone (1) angeordnet ist, in der im Vergleich zur schwach dotierten Kollektorzone (2) die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger um mindestens etwa zwei Zehnerpotenzen kleiner ist.
2. Bipolarer Schalttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch dotierte Kollektorzone (1) und schwach dotierte Kollektorzone (2) p-Leitfähigkeit, die Basiszone (3) n-Leifähigkeit und die hoch dotierten Emitterzone (4) p-Leitfähigkeit aufweisen.
3. Bipolarer Schalttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Rekombinationsschicht (5) in der schwach dotierten Kollektorzone (2) multipliziert mit dem spezifischen Widerstand und der Nennstromdichte einen Spannungsabfall von höchstens 1.5 v ergibt.
4. Bipolarer Schalttransistor nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Rekombinationsschicht (5) kleiner als
20μm ist.
5. Bipolarer Schalttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Integral s der reziproken Trägerlebensdauer über die Rekombinationsschicht (Rekombinationsgeschwindigkeit) größer als 5000 cm/s ist.
6. Bipolarer Schalttransistor nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsgeschwindigkeit s der Rekombinationsschicht (5) der Bedingung genügt:
100 cm2 / s s > , w wobei w die Dicke der schwach dotierten Kollektorzone (2) bezeichnet.
7. Verfahren zum Herstellen eines bipolaren Schalttransistors nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch dotierte Kollektorzone (1) durch Diffusion hergestellt ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines bipolaren Schalttransistors nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsschicht (5) durch Protonenbestrahlung erzeugt wird.
9. verfahren zum Herstellen eines bipolaren Schalttransistors nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Protonenbestrahlung von der Rückseite der Halbleiterscheibe erfolgt.
10. Verfahren zum Herstellen eines bipolaren Schalttransistors nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluenz der
Protonenbestrahlung in dem Bereich 3-10" bis 3-101 /cm2 liegt.
11. Verfahren zum Herstellen eines bipolaren schaittransistors nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit Protonen einer einzigen Energie bestrahlt wird.
12. Verfahren zum Hersteilen eines bipolaren Schalttransistors nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit Protonen zweier oder mehrerer unterschiedlicher Energien zur Homogenisierung des Dotierungseffektes bestrahlt wird.
13. Verfahren zum Hersteilen eines bipolaren Schalttransistors nach einem der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf die Protonenbestrahlung ein Prozeßschritt zur Ausheilung bei 300-400°c und einer Zeitdauer von 5-30 Minuten anschließt.
14. Verfahren zum Herstellen eines bipolaren Schalttransistors nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsschicht (5) durch Bestrahlen mit -Teilchen erzeugt wird.
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