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DE4228832C2 - Feldeffekt-gesteuertes Halbleiterbauelement - Google Patents

Feldeffekt-gesteuertes Halbleiterbauelement

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DE4228832C2
DE4228832C2 DE4228832A DE4228832A DE4228832C2 DE 4228832 C2 DE4228832 C2 DE 4228832C2 DE 4228832 A DE4228832 A DE 4228832A DE 4228832 A DE4228832 A DE 4228832A DE 4228832 C2 DE4228832 C2 DE 4228832C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein feldeffekt-gesteuertes Halbleiter­ bauelement mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps mit den weiteren Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein feldeffekt-gesteuertes Halbleiterbauelement der vorstehend beschriebenen Art ist aus dem US-Patent 4 847 641 bekannt. Ein derartiges, in der Patentschrift "Emitter Switched Thyristor" (EST) genanntes Halbleiterbauelement ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Das in den Fig. 5 und 6 in seiner Struktur gezeigte, feldeffektgesteuerte Halbleiterbauelement besteht aus einer anodenseitigen Emitterzone 10, zwei daran anschließenden Basiszonen 20, 30 und zwei kathodenseitigen Emitterzonen 40, 44. Auf einer Isolierschicht 50, welche ein Teil der kathodenseitigen Basiszone 30 überdeckt, befindet sich ein Gate genannter Steuerelektrodenkontakt 60, der mit den kathodenseitigen Emittern 40, 44 und einem Kanalbereich 42, 43 einen Feldeffekttransistor bildet. Das Bauelement ist mit zwei Stromanschlüssen, einer Kathode 72 und einer Anode 74, ausgestattet.
In dem beschriebenen Bauelement sind zwei Thyristorstrukturen zu erkennen. Die erste, parasitäre Thyristorstruktur besteht aus der einen kathodenseitigen Emitterzone 40, den zwei daran anschließenden Basiszonen 30, 20 und der anodenseitigen Emitterzone 10 und darf in keinem Betriebszustand gezündet werden. Die zweite Thyristorstruktur mit der anderen kathodenseitigen Emitterstruktur 44, den zwei daran anschließenden Basiszonen 30, 20 und der anodenseitigen Emitterzone 10 bildet den Hauptstrompfad in eingeschaltetem Zustand.
Der kathodenseitige Emitter 40 ist über den Kathodenkontakt 72 mit der kathodenseitigen Basiszone 30 kurzgeschlossen. Um diesen Nebenschluß niederohmig zu gestalten, wird die Basiszone 30 in einem Teilbereich 32 stark dotiert. Die Hauptthyristorstruktur 44, 30, 20, 10 wird durch einen Feldeffekttransistor 40, 50, 60, 44 und Kanalbereich 42, 43 gesteuert.
Bei der in Fig. 5 dargestellten einen Ausführungsform des bekannten Halbleiterbauelements bestimmt die Dotierung in einem schwach dotierten Teilbereich 34 der Basiszone 30 die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors und die Injektionseffizienz des kathodenseitigen Emitters 44. Wird das Halbleiterbauelement in Durchlaßrichtung gepolt und der Gateanschluß 60 des Feldeffekttransistors mit positivem Potential gegenüber Kathode angesteuert, bildet sich in der p-Basiszone 34 ein leitfähiger Kanal 42 aus, der die beiden kathodenseitigen Emitter 40, 44 niederohmig verbindet.
Gleichzeitig bildet sich ein leitfähiger Kanal 46 zwischen dem Emitter 44 und der ersten Basiszone 20. Der dadurch hervorgerufene Elektronenstrom wirkt als Steuerstrom für einen anodenseitigen pnp- Transistor und bietet den Zünd- bzw. Haltestrom für den Hauptthyristor 44, 34, 20, 10. Der über den Teilbereich 34 der Basiszone 30 zum Kathodenkontakt 72 abfließende Löcherstrom polt den n⁺-Emitter 44 in Durchlaßrichtung und die injizierten Elektronen verstärken die Leitwertmodulation der schwach dotierten n-Basiszone 20.
Die regenerative Aufsteuerung des Thyristors kann unterbrochen werden, indem das Gatepotential dem Kathodenpotential gleichgesetzt wird, so daß der n-leitende Kanal des Feldeffekttransistors verschwindet und der Elektronenstrom unterbrochen wird.
Dieser Vorgang führt zum Abschalten des Halbleiterbauelements.
Die Bauelementstruktur gem. Fig. 5 muß sehr sorgfältig optimiert werden da der n⁺-Emitter 40 der parasitären Thyristorstruktur 40, 30, 20, 10 teilweise in den gleichen Teilbereich 34 der Basiszone 30 wie der Emitter 44 eingebettet ist, aber in keinem Betriebszustand in Durchlaßrichtung gepolt werden darf. Diese Einschränkung erhöht den Zündstrom und limitiert den maximalen abschaltbaren Strom des Bauelements.
Eine günstigere, aus der Druckschrift IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 12, NO. 7, JULY 1991, S. 387-389 bekannte Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt. In der Struktur gem. Fig. 6 ist die kathodenseitige Basiszone 34 aus der Fig. 5 in zwei Teilbereiche 34, 36 unterteilt, wobei die Teilbereiche 34, 36 durch einen n-dotierten Bereich 22 der ersten n- Basiszone 20 getrennt sind.
Der stark dotierte Teilbereich 32 sorgt für einen niederohmigen Nebenschluß des kathodenseitigen Emitters 40. Der andere Teilbereich 34 definiert die Schwellenspannung des Kanalbereiches 42, und der Feldeffekttransistor 40, 42, 22 liefert den Zündstrom für den Hauptthyristor. Der unabhängig hergestellte Teilbereich 36 kann im Hinblick auf die Injektionseffizienz des n⁺-Emitters 44 und den Widerstand eines Nebenschlusses optimiert werden. Dieser Nebenschluß des Emitters 44 wird über eine ohmsche Kopplung des Teilbereiches 36 an den Kathodenkontakt 72 realisiert. Die Hauptthyristorstruktur 44, 36, 20, 10 wird durch einen leitfähigen Kanal 42, 22, 43 des Feldeffekttransistors mit der Kathode 72 verbunden.
Ein Ersatzschaltbild des Halbleiterbauelements gem. Fig. 6 ist in Fig. 7 veranschaulicht. Die Trennung der Teilbereiche 32, 36 erleichtert die Auslegung von Shortungswiderständen R₁ und R₂. Der Widerstand R₁ soll so niederohmig wie möglich gehalten werden, und der Wert des Widerstandes R₂ muß im Hinblick auf die Schalteigenschaften des Bauelements Auslegung von Shortungswiderständen R1 und R2. Der Widerstand R1 soll so niederohmig wie möglich gehalten werden, und der Wert des Widerstandes R2 muß im Hinblick auf die Schalteigenschaften des Bauelements optimiert sein. Bei der Optimierung muß aber ein Kompromiß zwischen der Durchlaßspannung und dem maximal abschaltbaren Strom in Kauf genommen werden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß das günstige Durchlaßverhalten eines Thyristors bei gleichzeitig erweitertem sicheren Arbeitsbereich (SOA) sichergestellt wird.
Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß derjenige Teilbereich der kathodenseitigen Basiszone, der an die weitere, zum Hauptthyrister gehörende Emitterzone angrenzt, oder ein zur kathodenseitigen Basiszone benachbartes, separates p-dotiertes Gebiet über ein integriertes Bauelement mit nichtlinearer Strom-/Spannungskennlinie an den Kathodenkontakt angebunden ist.
Der Hauptthyristoremitter wird bei dieser Anordnung, wie in der vorbekannten Lösung, durch Einschalten des Feldeffekttransistors an das Potential der Kathode gebunden. Die nichtlineare Kopplung der an den Hauptthyristoremitter anschließenden Basiszone zeigt einen hohen Widerstand im Bereich von kleinen Stromdichten. Dies bewirkt schnelle Potentialanhebung dieses Gebietes und eine Durchlaßpolung des Hauptthyristoremitters, was zur regenerativen Aufsteuerung des Thyristors führt. Beim Abschalten des Feldeffekttransistors wird das elektrische Potential des Basisgebietes die Schleusenspannung des Koppelelements überschreiten; der über diesen Pfad abfließende Laststrom trifft einen niedrigen dynamischen Widerstand auf dem Weg zum Kathodenkontakt.
Im Durchlaßfall erhöht die erfindungsgemäße Anbindung des emitternaheliegenden Teilgebietes der kathodenseitigen Basiszone die Durchlaßpolung des Thyristoremitters und verbessert das Durchlaßverhalten des Bauelements. Der niedrige dynamische Widerstand der Basiskopplung bei hohen Stromdichten erleichtert andererseits das Abschalten des Bauelements und erweitert den sicheren Arbeitsbereich.
Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht in einer elektrischen Anbindung des emitteranliegenden Teilgebietes der kathodenseitigen Basiszone an den Kathodenkontakt über eine in Sperrichtung gepolte, monolithisch integrierte Zenerdiode bzw. Avalanche-Diode.
Eine zweite Ausführungsform nutzt die eine Schicht aus polykristallinem Silizium zur Herstellung einer in Durchlaßrichtung gepolten Diodenkette, die dann als Koppelelement mit einer nichtlinearen Strom-/Spannungskennlinie eingesetzt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus dem sich weitere Vorteile ergeben.
Es zeigen
Fig. 1 eine Struktur einer ersten Ausführungsform eines feldeffektgesteuerten Halbleiterbauelements im Querschnitt;
Fig. 2a eine Struktur einer zweiten Ausführungsform eines feldeffekt­ gesteuerten Halbleiterbauelements im Querschnitt;
Fig. 2b eine Struktur einer dritten Ausführungsform eines feldeffekt­ gesteuerten Halbleiterbauelements im Querschnitt;
Fig. 2c eine Struktur einer vierten Ausführungsform eines feld­ effektgesteuerten Halbleiterbauelements im Querschnitt;
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für das in Fig. 2 dargestellte Halb­ leiterbauelement;
Fig. 4 eine Struktur einer fünften Ausführungsform eines feldeffekt­ gesteuerten Halbleiterbauelements im Querschnitt;
Fig. 5 eine Struktur eines bekannten feldeffektgesteuerten Halbleiter­ bauelements im Querschnitt;
Fig. 6 eine Struktur eines weiteren bekannten feldeffektgesteuerten Halbleiterbauelements im Querschnitt und
Fig. 7 ein Ersatzschaltbild für das in Fig. 5 dargestellte Halbleiter­ bauelement.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Struktur eines feldeffektgesteuerten Halbleiterbauelements mit einer stark p-dotierten, anodenseitigen Emitterschicht 10, mit einer ersten Basiszone 20, bestehend aus einer n- dotierten Zone, mit einer zweiten Basiszone, die einen Teilbereich 32 mit starker p-Dotierung und einen Teilbereich 34 mit p-Dotierung sowie einen weiteren Teilbereich 36 mit p-Dotierung aufweist, und mit stark n- dotierten, kathodenseitigen Emitterzonen 40, 44.
Das Halbleiterbauelement ist mit einem Anodenanschluß A eines Anodenkontakts 74, einem Kathodenanschluß K eines Kathodenkontakts 72 und einen Gate-Anschluß G eines Gates 60 versehen. Das Gate 60 ist durch eine Isolierschicht 50 von den Basiszonen 20, 32, 34, 36 und den kathodenseitigen Emitterzonen 40, 44 getrennt. Die Teilbereiche 34, 36 der zweiten Basiszone sind durch einen n-dotierten Bereich 22 der ersten Basiszone 20 voneinander getrennt.
Das Halbleiterbauelement enthält eine Hauptthyristorstruktur mit der kathodenseitigen Emitterzone 44, der ersten und zweiten Basiszone 20, 36 und der anodenseitigen Emitterschicht 10. Diese Hauptthyristorstruktur wird mit einem Feldeffekttransistor gesteuert, der die kathodenseitigen Emitterzonen 40, 44, die Isolierschicht 50 und das Gate 60 umfaßt.
Der Kathodenkontakt 72 bildet einen ohmschen Kontakt sowohl mit der Emitterzone 40 als auch mit dem Teilbereich 32 der zweiten Basiszone. Die zweite Basiszone ist in die Teilbereiche 32, 34 und 36 aufgeteilt. Wie ersichtlich ist, besteht bei dem Halbleiterbauelement der Fig. 1 insoweit Übereinstimmung mit dem in Fig. 6 dargestellten bekannten Halbleiterbauelement. Gleiche Elemente wurden in den Fig. 1 bis 7 mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Halbleiterstruktur ist ein stark p- dotiertes Gebiet 38, das zur Basiszone benachbart ist, die an die Emitterzone 44 des Hauptthyristors angrenzt, über ein integriertes Bauelement mit nichtlinearer Strom-/Spannungskennlinie an den Kathodenkontakt 72 angebunden.
Im stark p-dotierten Teilbereich 32 der zweiten Basiszone ist ein stark n-dotiertes Gebiet 48 vorgesehen, das über einen ohmschen Kontakt und eine metallische Leitung, die als Leiterbahn ausgebildet ist und im Gegensatz zu der Darstellung gem. Fig. 1 in der dritten Dimension verläuft, mit einem Kontakt 76 verbunden, der an das Gebiet 38 angrenzt. Der pn-Übergang zwischen dem n⁺-Gebiet 48 und dem p⁺-Gebiet 32 wirkt wie eine in Sperrichtung gepolte Zenerdiode, die über die Kontakte 76, 78 und die Metalleiterbahn in der dritten Dimension an das Teilgebiet 36, 38 der zweiten Basiszone angeschlossen ist.
Das Teilgebiet 38 wurde zur Verbesserung des ohmschen Metall-/Halb­ leiterübergangs 76, 38 vorgesehen, kann aber ausgelassen werden, da ein Schottkykontakt an dieser Stelle den Betrieb des Bauelements nicht stören würde. Das Teilgebiet 36 kann daher auch direkt mittels eines Kontakts und einer metallischen Leitung an den Kontakt 78 angeschlossen sein.
Es ist aber auch möglich, daß bei der in Fig. 5 gezeigten Struktur der Teilbereich 34 entsprechend dem Gebiet 38 gem. Fig. 1 über einen Kontakt, einen metallischen Leiter und einen weiteren Kontakt mit einem stark n-dotierten Gebiet im Teilbereich 32 verbunden und damit an den Kathodenkontakt 72 angebunden ist, der sich dann nicht über den gesamten Teilbereich 32 erstreckt.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der der an den Emitter 44 des Hauptthyristors angrenzende Teilbereich 36 über eine in Durchlaßrichtung gepolte Diodenkette an den Kathodenkontakt 72 angebunden ist.
Das in Fig. 2a dargestellte Halbleiterbauelement weist in lateraler Form die stark p-dotierte, anodenseitige Emitterschicht 10, die erste Basiszone 20 mit n-Dotierung, die zweite Basiszone mit dem stark p- dotierten Teilbereich 32, dem p-dotierten Teilbereich 34 und dem von diesen Teilbereichen 32, 34 durch eine n-Schicht 22 getrennten Teilbereich 36 auf. Ebenfalls sind die Emitterzonen 40, 44 und das stark p-dotierte Gebiet 38 vorhanden. Ein Anodenanschluß A mit dem Anodenkontakt 74 und ein Kathodenanschluß K mit dem Kathodenkontakt 72 ist ebenso vorhanden. Ein Gate 60 befindet sich auf einer Isolierschicht 50, die sich vom Gebiet 38, das sie teilweise überdeckt, über den Teilbereich 36, die Emitterzone 44, die n-Schicht 22 der ersten Basiszone 20, den Teilbereich 34 bis zu einem stark n-dotierten Gebiet 40 erstreckt, das sie teilweise bedeckt. Der andere Teil des Gebiets 40 und der Teilbereich 32 wird vom Kathodenkontakt 72 bedeckt.
Die in Durchlaßrichtung gepolte Diodenkette wird durch eine abwechselnde p⁺- 61, 63 und eine n⁺-Dotierung 62, 64 einer Halbleiterschicht aus polykristallinem Silizium auf einer Isolierschicht und eine entsprechende Metallisierung 82, 84, 86 hergestellt.
In Fig. 2 wurde eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung als ein laterales Bauelement auf einem SOI-Substrat (Silicon On Insulator) gewählt. In diesem Fall ist die aktive Halbleiterschicht von einem Träger 5 durch eine Isolatorschicht 55, bevorzugt aus thermisch gewachsenem Siliziumoxid, getrennt. In dieser lateralen Ausführung des Bauelements ist kein Strompfad über eine parasitäre Thyristorstruktur vorhanden, weil die Teilbereiche 34, 36 der zweiten Basiszone durch den n-dotierten Teilbereich 22 getrennt sind. Der eine Teilbereich 36 ist vorgelagert und schirmt den Rest des Bauelements ab. Der Zündstrom kann durch einen leitfähigen Kanal des Feldeffekttransistors in einem abgeänderten Teil des Halbleiterbauelements geliefert werden.
Die Fig. 2b zeigt eine Ausführungsform, die sich von der Ausführungsform in Fig. 2a nur dadurch unterscheidet, daß der p-Basis- Teil 36 den Emitter 44 nicht mehr vollständig umhüllt. Das ergibt elektrisch eine noch bessere Entkopplung zwischen den Basis- Teilbereichen 36 und 34, was zu einer Verbesserung der Funktion des Hauptthyristors führt.
Die Fig. 2c zeigt eine Ausführungsform, die sich von der Ausführungsform in Fig. 2a nur dadurch unterscheidet, daß die p-Basis 30 durch die bis zur Isolierschicht 55 durchgehenden n⁺-Emitter 40 und 44 unterbrochen wird. Das führt zu einer idealen elektrischen Entkopplung der Teilbereiche 36 und 34 und zu einer Verbesserung der Funktion des Hauptthyristors.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen benötigen keine zusätzlichen Herstellungsschritte und können in normalem Prozeßablauf zur Herstellung des EST-Bauelements realisiert werden. Eine dritte Ausführungsform mit separat liegendem p⁺-Gebiet zeigt Fig. 4.
Die Ausführungsform gem. Fig. 4 stimmt bis auf die Lage des stark p- dotierten Gebiets 38 mit der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform überein. Das Gebiet 38 liegt in der ersten Basiszone 20 und ist durch diese vom Teilbereich 36 getrennt. Das Gebiet 38 ist wie bei der Anordnung gem. Fig. 2 mit einer Metallisierung 82 verbunden, die auch mit der n-dotierten Schicht 61 der Diodenkette verbunden ist.
Die Fig. 3 zeigt das Ersatzschaltbild der oben beschriebenen Halbleiterbauelemente. Im Ersatzschaltbild ist das Bauelement mit nichtlinearer Strom-/Spannungskennlinie durch das Element D gekennzeichnet.
Die Ausführung von D als Diodenkette entspricht der Fig. 2; es könnte jedoch auch gem. Fig. 1 eine Zenerdiode angeführt werden. Es ist offensichtlich, daß diese Zenerdiode entsprechend Fig. 2 auch in Polysilizium-Technologie ausgeführt werden könnte.
Alle Ausführungen gelten sinngemäß für komplementär ausgeführte Strukturen, in denen n- und p-Gebiete jeweils in ihrem Leitfähigkeitstyp vertauscht sind.

Claims (7)

1. Feldeffekt-gesteuertes Halbleiterbauelement mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, in denen eine anodenseitigen Emitterzone, eine daran anschließende erste Basiszone, eine zweite, kathodenseitige Basiszone, eine kathodenseitige Emitterzone und eine weitere benachbart liegende Emitterzone ausgebildet sind, wobei die letztgenannten beiden Emitterzonen Source und Drain eines MOS-Feldeffekt-Transistors bilden, und wobei die weitere Emitterzone mit der ersten und zweiten Basiszone und der anodenseitigen Emitterzone einen Hauptthyristor bildet, mit einem Anodenkontakt, einem Kontakt an der kathodenseitigen Emitterzone und einem Steuerelektrodenkontakt des MOS-Feldeffekt-Transistors, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teilbereich (34, 36) der kathodenseitigen Basiszone, der an die weitere, zum Hauptthyristor gehörende Emitterzone (44) angrenzt, oder ein zur kathodenseitigen Basiszone (30) benachbartes, separates, p-dotiertes Gebiet (38) über ein integriertes Bauelement (D) mit nichtlinearer Strom-/Spannungskennlinie an den Kathodenkontakt (72) angebunden ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (D) eine in Sperrichtung betriebene Zener-Diode bzw. Avalanche-Diode ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (D) eine Kette von in Durchlaßrichtung betriebenen Dioden ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener- bzw. Avalanche-Diode durch ein stark n-dotiertes Gebiet (48) innerhalb des stark p-dotierten Gebiets (32) der kathodenseitigen Basis-Zone gebildet wird.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teilbereich (36) der kathodenseitigen Basiszone, der an die Emitterzone (44) des Hauptthyristors angrenzt, oder das separate p-dotierte Gebiet (38) metallisch mit dem Anfang einer isoliert angeordneten Halbleiterschicht verbunden ist, die abwechselnd stark p- und n-dotierte Zonen aufweist, und daß das Ende der Halbleiterschicht metallisch mit dem Kathodenkontakt (72) verbunden ist.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teilbereich (36) der kathodenseitigen Basiszone, der an die Emitterzone (44) des Hauptthyristors angrenzt, die Emitterzone (44) nur teilweise umschließt.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Emitterzonen (40, 44) bis zu einer Isolierschicht (55) erstrecken und daß sich zwischen den Emitterzonen (40, 44) ein zur zweiten Basiszone (30) gehörender p-dotierter Teilbereich befindet.
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