DE2013228A1

DE2013228A1 - Halbleiterelement mit mindestens einer Steuerelektrode

Info

Publication number: DE2013228A1
Application number: DE19702013228
Authority: DE
Inventors: Erich Dr. Baden Aargau Weisshaar (Schweiz)
Original assignee: Transistor AG
Current assignee: Transistor AG
Priority date: 1969-03-21
Filing date: 1970-03-19
Publication date: 1970-10-01
Also published as: US3644799A; CH483727A; GB1276285A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterelement mit mindestens einer Steuerelektrode, bei welchem in den, einen bestimmten Leitfähigkeitstyp aufweisenden Oberflächenbereich eines Halbleiterkörpers mindestens eine Zone eines anderen Leitfähigkeit styps eindiffundiert und diese Zone von Gebieten des erstgenannten Leifähigkeitstyps umgeben ist, und betrifft insbesondere einen ausschaltbareη Thyristor. -

Ein Thyristor besteht bekanntlich aus einem vierschichtigen pnpn-Halbleiterkörper, an dessen äusseren p^leitenden Schicht die Anode, an dessen äusseren η-leitenden Schicht die Kathode und an einer der beiden Innenschichten, der n- oder der p-leitenden, . die Steuerelektrode oder das Gate angeschlossen sind. Ein ausschaltbarer Thyristor ist praktisch nur dann funktionsfähig, wenn der Innenwiderstand der Steuerelektrode sehr klein ist. Bekannt
sind im wesentlichen zwei Arten Thyristoren. Bei der einen Art
weist der Halbleiterkörper z.B. drei übereinanderliegende Schichten mit der Leitfähigkeit ρ,η,ρ auf, und die eine p-leitende Aussenschicht trägt als Kathode K eine schmale ringförmige n^leitende Zone, welche von dicht benachbarten Gatelektroden G umgeben ist.

PL/ke
13.3.70

20 54Ο' a

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An die andere p-leitende Aussenschicht ist die Anode A angeschlossen (?ig. l). Solche, unter Anwendung der bekannten, "diffundiertlegierten" - oder "vollcl iff unierten" Technologie hergestellten Thyristoren sind im allgemeinen für Nennströme von 1 bis 2 Ampere brauchbar. Theoretisch wären bei einer derartigen Ausbildung auch Thyristoren für weit grössere Nennstromstärken möglich, in der Praxis sind jedoch durch die zu hohen Kosten der aufwendigen Gate-Kathoden-Struktur und die Schwierigkeiten bei der Anbringung der entsprechenden Kontakte Grenzen gesetzt. Zur Herstellung ausschaltbarer Thyristoren kleiner Leistung, d.h. von Thyristoren mit Nennstronistärken von ca. 100 bis 500 m Airp. kann mit Vorteil auch die bekannte "Planar"-Technologie (Schweiz.Pat. Nr. 442 534) zur Anwendung gelangen. Diese Technologie führt zur anderen Art Thyristoren, welche aus einer z.3. η-leitenden Kalbleiterscheibe z.B. aus Silizium besteht, wobei die pnpn-Struktur auf der einen Scheibenseite durch eindiffundierte Zonen entsprechender Leitfähigkeit erzielt ist.

Die Beschränkung auf kleine Leistungen bei dieser lateralen Struktur ist in der Tatsache begründet, dass der eigentliche Thyristor (Fig. 2) in einer dünnen Schicht unter der Oberfläche liegt. Das bedeutet, dass in leitendem Zustand der gröscte Teil der ladungsträger der prinzipiell grossen Oberflächen-Reko.nbination zufolge in der Oberfläche verloren geht, was zu einem grossen Spannungsäbfall und demzufolge grosser Verlustleistung führt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt ausser in der I-löglichkeit der Ozydpassivierung (Si0_?) der aktiven Oberflächen noch in der Zugänglichkeit zur .-nittieren η-Schicht über eine zweite Steuerelektrode oder Gate 2 (02). Dies erlaubt nämlich einen speziell kleinen Innenwiderstand und damit eine entsprechend grosse Ausschaltverstärkung. Unter letzterer verstent man das Verhältnis des zum Ausschalten erforderlichen Gatestromes G zum fliessenden Anodon-Kathodenstro:a A.

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Zweck der Erfindung ist ein Halbleiterelement mit mindestens einer Steuerelektrode, für Nennstromstärken von ca. 10 bis 100 Ampere, insbesondere ein ausschaltbarer Thyristor, welches Halbleiterelement unter Anwendung der genannten Planartechnologie herstellbar ist, und demnach die mit dieser verbundenen Vorteile, vor allem dem der Oxyd-Passivierung der aktiven Oberflächen aufweist.

Das erfindungsgemässe Halbleiterelement mit mindestens einer im Oberflächenbereich eines Halbleiterkörpers vorhandenen, einen anderen Leitfähigkeitstyp als der Oberflächenbereich aufweisenden Zone, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleiterkörper für jede Zone eine Vertiefung vorgesehen ist und die Wandbereiche der Vertiefung jeweils den Leitfähigkeitstyp der betreffenden Zone aufweisen.

Die Zonenvertiefungen können vorteilhaft grabenförmig ausgebildet ee in, wobei bei einem Halbleiterelement mit zwei Zonen deren grabenförmige Vertiefungen kammartig ausgebildet und mit ineinandergreifenden Kammzähnen angeordnet werden können.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel für einen ausschaltbaren Thyristor und anhani der beiliegenden Zeichnung ausführlich erläutert, in welcher zeigen:

Fig. 1 schematisch im Schnitt eine erste bekannte, aus einem Halbleiterkörper mit übereinanderliefenden Schichten verschiedener Leitfähigkeit bestehende Ausführungsform eines Thyristors, weiche Figur zur Darlegung des Standes der Technik dient,

Fig. 2 schematisch im Teilschnitt eine zweite bekannte, unter Anwendung der "P3.anar"-Technologie hergestellte Ausführungsform, eines Thyristors*

Fig. 3 scheniatisch im Schnitt einen genas s der Erfindung aus gebildet en--Thyristor und

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Fig. 4 den Thyristor der Fig. 3 in schaubildlicher Darstellung.

Der in Fig. 1 gezeigte bekannte Aufbau eines Thyristors mit einer Steuerelektrode oder einem Gate ist bereits in der Einleitung dargelegt worden.

Wie Fig· 2 schematisch im Schnitt zeigt, besteht ein bekannter, nach dem "Planar"-Verfahren hergestellter Thyristor mit zwei Steuerelektroden, z.B. aus einer ji-leitenden Siliziumscheibe, auf deren einen Seite Zonen verschiedener Leitfähigkeit eindiffundiert sind und zwar p-leitende Zonen, welche Kontaktsschichten zum Anschluss der Anode A tragen, und p-leitenden Zonen mit eingelegten η -leitenden Zonen, wobei die η -leitenden Zonen Kontaktschichten zum Anschluss der Kathode K und die unterhalb der η Zonen liegenden und diese an den Rändern überragenden p-leitenden Zonen Kontaktsschichten zum Anschluss einer ersten Steuerelektrode oder Gate 1 tragen. Die andere Seite der Slliziumechelbe ist mit einer Kontaktschicht für den Anschluss einer zweiten Steuerelektrode oder Gate 2 versehen. Die nicht metallisch belegten Oberflächenbereiche der Siliziumscheibe sind mit einer Schutzschicht auB SiGp bedeckt. Es ist bereits erwähnt worden, dass bei diesem bekannten Thyristoraufbau die grosse Oberflächen-Rekombination der Ladungsträger nachteilig ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen gemäss der Erfindung ausgebildeten Thyristor. Der Thyristor besteht aus einer n-leitenden Siliziumßcheibe 1. 'Auf der einen, die Zonen verschiedener Leitfähigkeit tragenden Seite der Siliziumscheibe 1 befinden sich an den Stellen dieser Zonen Vertiefungen, welche vorzugsweise in Torrn von Gräben 2 und 3 rät U-förmigem Querschnitt ausgebildet sind. r-iese Gräben können leicht nach bekannten Markierungs- und Aetzverfphren hergestellt werden. In Fi₁--. 3 sind im Schnitt ein "Anoden"- und ein "Kathoden"-Graben 2 bzw. Z gezeigt. Die Wandungen

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des "Anoden"-Grabens 2 bestehen aus p-leitendem Ilalbleitermaterial, ,'in diesem Falle aus einer p-leitenden Siliziumschicht 4, welche bis zu den oberen Grabenkönten 5 reicht. Diese p-leitende Schicht 4 ist mit einer Metallschicht 6 belegt, welche an beiden Grabenseiten bis nahe an die oberen Grabenkanten 5 reicht. Die Metallschicht 6 dient zum Anschluss der Anode A. Beim "Kathoden"-Graben 3 liegt auf einer p-leitenden Schicht 7, welche ebenso ausgebildet sein kann wie die p-leitende Schicht 4 des "Anoden"-Grabens 2, eine η -leitende Schicht 8, welche vorzugsweise die ganze Grabenwandung überdeckt. Auf dieser η -leitenden Schicht 8 ist wiederum ein metallischer Belag 9 aufgebracht, welcher für den Anschluss der Kathode K dient. Die erste Steuerelektrode oder Gate 1 liegt an der p-leitenden Schicht 7 des "Kathoden"-Grabens 3. Hierzu ist diese Schicht 7 an einer' geeigneten Stelle der Halb-r leiterscheibe 1 mit einer Eontaktschicht 10 (Fig. ,4) versehen, an. die die erste Steuerelektrode Gl angeschlossen ist.

Die zweite Steuerelektrode oder Gate 2 ist an die Unterseite der Halbleiterscheibe 1 angeschlossen, welche zu diesem Zweck ebenfalls mit einer Kontaktschicht 11 aus einem geeigneten Metall versehen ist. Der Innenwiderstand der Gate-2-Zone ist im Vergleich zur Gate 1-Zone klein, so dass Gate 2 speziell zum Ausschalten des gezündeten Thyristors herangezogen werden kann. In Fig. 3 sind die Strombahnen 12 durch gestrichelte Linien angedeutet. Im Steg 14 zwischen den beiden Gräben ,2 und 3 sind deren p-leitende Zonen 4 und 7 voneinander durch eine Schicht 14' aus dem η-leitenden Material der Halbleiterplatte getrennt. Die Breite dieser η-leitenden Zwischenschicht 14' ist vorzugsweise nicht grosser als die Grabentiefe. Wie ersichtlich, mündet nur ein kleiner Teil derselben in die zwischen, den Gräben liegende Scheibenoberfläche, so dass nur ein entsprechend kleiner Teil an Ladungsträger durch Oberflächenrekombination verloren"geht. Die freien, keine Kontaktschichten.aufweisenden Oberflächenbereiche

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der Siliziumscheibe 1 sind, wie bereits erwähnt, mit einer Schutzschicht 13 aus SiO„ bedeckt.·

Die rlennstromstärke eines derart aufgebrachten Thyristors wird im wesentlichen durch die Gesamtlänge des "Anoden"- bzw. "Kathoden"-Grabens bestimmt.

Um möglichst kleine stromstarke Halbleiterelemente zu erhalten, können, wie Fig. 4 zeigt, "Anoden¹¹- und "Kathoden"-Graben in Kammforju ausgebildet und im Halbleiterkörper 1 mit ineinandergreifenden Kammzähnen angeordnet sein.

Lie Dotierung der Halbleiterscheibe, d.h. die Erzeugung der verschieden leitfähigen Zonen im Bereich der Grabenwände erfolgt nach bekannten Verfahren, vorzugsweise nach dem Diffusionsverfahren der Planartechneologie, die beispielsweise im Schweiz. Patent Nr. 442 534 beschrieben ist. Um eine Vorstellung über die Dimensionierung von gernäss vorstehenden Darlegungen ausgebildeten Halbleiterelementen zu vermitteln, seien beispielsweise Laten für einen, wie beschrieben, hergestellten ausschaltbaren Thyristor angegeben:

Dicke der Si-Scheibe Grabentiefe Eindringtiefe (p)

Eindringtiefe (n⁺) Grabenbreite Breite der η-Zone zwischen den Gräben

200	U
50	U
25	U
10	/^u
100
50
5	- 10 Ohm cm.

Solche Thyristoren können Nermstroinstärken von 10 bis 100 Amp. schalten. Ausser Thyristoren können nit einem prinzipiell gleichen Aufbau auch andere Halbleiterelemente, wie z.B. Transistoren, sogenannte Triacs, d.h. Halbleiterelemente, bei welchen zwei invers Fa^r&llelgeschaltete gesteuerte Gleichrichter in einem Halbleiterkörper zusammengefasst sind, usw.

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Die Anzahl der Gräben und die Dotierung der Grabenwände ist natürlich von der Art des jeweils herzustellenden Halbleiterelemente β- 'abhängig.

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Claims

Patentansprüche

1.) Halbleiterelement mit mindestens einer Steuerelektrode, bei welchem in den, einen bestimmten Leitfähigkeitstyp aufweinenden Oberflächenbereich eines Halbieiterkörpers mindestens eine Zone eines anderen Leitfähigkeitstyps eindiffundiert und fliese Zone von Gebieten des erstgenannten Leitfähigkeitstyps umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleiterkörper (1) h für jede Zone eine Vertiefung (2,3) vorgesehen ist und die Wandbereiche der Vertiefung jeweils den Leitfähigkeitstyp der betreffenden Zone aufweisen.

2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die Zonenvertiefung (2,3) im Halbleiterkörper (1) ausgebildet ist.

3. Halbleiterelement nach Anspruch 2 mit zwei^; Zonen,

«r

iarureh gekennzeichnet, dass die grabenförmigen Vertiefungen der beiden Zonen kaatmartig ausgebildet und mitineinandergreife-niei. Ka^zähnen anreordnet sind, wobei in den Stegen (14) zvivcKon der. kam.T.förinigen Gräben (2,3) die Leitfähigkeitszonen (^Λ,7> 3er Orabenwandungen durch eine Schicht (14') mit dem Leitfähi^keitstyn des Cberflächenbereiches Halbleiterkörpers getrennt if-;t.

-i.HaJ.bleitereler.ent nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dasi-äie Breite der Trennschicht (14') in den Stegen (1-Ό rwipchen den kamriförniigen Gräben (2,3) nicht grosser als die Iratentiefe ist.

5. Haloleiterelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dasr. die Breite der Trennschicht (14') in den Stegen (14) -leich der Grabentiefe ist.

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- , * 6. Halbleiterelement nach Anspruch 1, bei welchem die eindiffundierte Zone mit einer Kontaktschicht belegt ist, dadurch -gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6,9) auf die Oberfläche der Vertiefung (2,3) aufgebracht ist, wobei der Kontaktschichtrand von den Oberkanten (5) der Vertiefung Abstand hat.

7. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Oberfläche des Halbleiterkörpers (l) mit einer Schutzschicht (13) bedeckt ist.

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