DE1261603B

DE1261603B - Steuerbares Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1261603B
Application number: DES90194A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hubert Patalong
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1963-08-03
Filing date: 1964-03-25
Publication date: 1968-02-22
Also published as: NL6413471A; GB1064522A; NL6613255A; GB1164465A; DE1514593B1; CH449124A; DE1234326B; CH434482A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche KL: 21g-11/02

Nummer: 1261603

Aktenzeichen: S 90194 VIII c/21 g

Anmeldetag: 25. März 1964

Auslegetag: 22. Februar 1968

Steuerbare Halbleiterbauelemente vom pnpn-Typ besitzen einen im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper mit vier hintereinandergeschalteten Zonen jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. Die beiden äußeren Zonen werden häufig als Emitter bezeichnet, während die beiden inneren Zonen als Basen bezeichnet werden. Bei bekannten Bauarten derartiger steuerbarer Halbleiterbauelemente, die auch als steuerbare Gleichrichter bezeichnet werden, besteht der einkristalline Halbleiterkörper aus einer flachen Scheibe, auf deren beiden Flachseiten die beiden äußeren Zonen und ihre Kontaktelektroden flächenhaft angeordnet sind und bei der eine Kontaktelektrode für die eine innere Zone in einer Aussparung der ihr benachbarten äußeren Zone auf der gleichen Flachseite angeordnet ist. Diese Kontaktelektrode der inneren Zone wird häufig als Zündelektrode bezeichnet, da sich mit ihrer Hilfe ein Strom durch den zwischen dieser inneren Zone und der ihr benachbarten äußeren Zone befindlichen pn-übergang schicken läßt, der das Zünden des steuerbaren Halbleiterbauelements, d. h. den Übergang vom nichtleitenden in den leitenden Zustand des steuerbaren Halbleiterbauelements, bewirkt. Ein derartiges steuerbares Halbleiterbauelement ist z. B. in dem Aufsatz »Das Siliziumstromtor BSt L 02«, von Adolf Herlet, Kurt Raithel und Eberhard Spenke, in der Siemens-Zeitschrift, 37. Jahrgang, April 1963, H. 4, auf den Seiten 291 bis 294, beschrieben.

Bei den bekannten steuerbaren Halbleiterbauelementen hat die Steuerkontaktelektrode eine verhältnismäßig kleine Fläche, da sie als Steuerkontaktelektrode nur einen geringen Zündstrom zu führen hat. Dementsprechend ist auch der Umfang dieser Steuerkontaktelektrode sehr klein. Große Teile der sie umgebenden und als Emitter dienenden Außenzone liegen infolgedessen von ihr verhältnismäßig weit entfernt. Es wurde erkannt, daß dieser Umstand die Ursache für eine gewisse Zündverzögerung des steuerbaren Halbleiterbauelements ist, die sich für manche Anwendungsfälle als nachteilig erweist.
Wird die Steuerkontaktelektrode hingegen verhältnismäßig groß ausgeführt, wie z. B. bei dem Halbleiterbauelement nach der französischen Patentschrift 1342 994, dessen Emitter- und Basiskontaktelektroden kammartig ineinandergreifen, so führt dies dazu, daß auf der gegebenen Gesamtfläche des scheibenförmigen Halbleiterkörpers der von der vergrößerten Basiskontaktelektrode benötigte Platz für die Emitterfläche verlorengeht und zu einer Herabsetzung des zulässigen Belastungsstromes, der durch die beiden Emitter fließt, führt.

Steuerbares Halbleiterbauelement

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Hubert Patalong, 8553 Ebermannstadt

Das Ziel der Erfindung ist, ein steuerbares Halbleiterbauelement so auszubilden, daß es weder den einen noch den anderen Nachteil aufweist. Die Ausbildung des steuerbaren Halbleiterbauelements nach der Erfindung, durch die dieses Ziel erreicht wird, ist außerdem so beschaffen, daß sich das Halbleiterbauelement besonders leicht herstellen läßt; denn es wurde erkannt, daß es nicht notwendig ist, die Basiszone großflächig zu kontaktieren, wenn die Oberfläche des Halbleiterkörpers genügend stark dotiert ist. Das steuerbare Halbleiterbauelement nach der Erfindung weist den weiteren Vorteil auf, daß es sich ebenso leicht in ein Gehäuse einbauen läßt wie ein bekanntes steuerbares Halbleiterbauelement, dessen kleinflächige Steuerkontaktelektrode auf einer inneren Zone innerhalb einer Aussparung in der dieser inneren Zone benachbarten äußeren Zone angebracht ist.

Die Erfindung betrifft deshalb ein steuerbares Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von denen die beiden äußeren injizierenden Zonen und ihre Kontaktelektroden flächenhaft auf den beiden Flachseiten des HaIbleiterkörpers angeordnet sind und bei dem eine im Verhältnis zu diesen Kontaktelektroden kleinflächige Steuerkontaktelektrode für die eine innere Basiszone in einer Aussparung in der ihr benachbarten Zone angeordnet ist. Die Erfindung besteht darin, daß bei einem solchen steuerbaren Halbleiterbauelement die Fläche der der kontaktierten inneren Zone benachbarten äußeren Zone mindestens einen langgestreckten und die durch die äußere Zone an der Oberfläche getrennten Teile der inneren Zone verbindenden Einschnitt aufweist, in dem die kontaktierte innere Zone an die Oberfläche tritt, und daß die kontaktierte innere Zone an ihrer nicht kontak-

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tierten Oberfläche eine Dotierungskonzentration von oder ähnlicher Zusammensetzung wie die für die Hermehr als 3 ■ 10¹⁷ cm-' hat. Stellung der Zündelektrode 7 verwendete benutzt Im folgenden wird die Erfindung an Hand von werden. Die aus etwa 30 bis 50 μ dicken Goldfolien vorteilhaften Ausführungsbeispielen, näher erläutert. hergestellten Elektroden 5, 7 und 10 können zweckin den 5 mäßig im gleichen Arbeitsgang bei etwa 700° C ein-F i g. 1, 2 und 3 ist ein erfindungsgemäß aufge- legiert werden. Gegebenenfalls können die einzelnen bautes steuerbares Halbleiterbauelement in der Auf- Zonen auch mit anderen Stoffen kontalctiert werden, sieht und in zwei Schnitten dargestellt; z.B. kann die Zone 3 mit Hilfe einer aufgelegten F i g. 4, 5 und 6 zeigen andere Ausführungsformen Alummiumfolie, die dann bei höherer Temperatur, eines derartigen steuerbaren Halbleiterbauelements, ίο z. B. 750° C, einlegiert werden kann, kontakiert Das steuerbare Halbleiterbauelement nach den werden.

F i g. 1, 2 und 3 kann z. B. in folgender Weise her- Wesentlich für das steuerbare Halbleiterbauele-

gestellt werden: ment nach der Erfindung ist, daß die kontaktierte

Eine Halbleiterscheibe 2, die beispielsweise aus ein- innere Zone, also die Zone 4, an der Oberfläche des kristallinem η-leitendem Silizium mit einem spezi- 15 Halbleiterkörpers eine Dotierungskonzentration von fischen Widerstand von 20 bis 30 Ohm/cm besteht mehr als 3 · 10¹⁷ cm~³ hat. Bei einer durch Diffusion und eine Dicke von etwa 300 μ hat, wird durch Ein- von außen hergestellten Zone 4 weist die Dotierungsdiffundieren eines p-Leitung hervorrufenden Stof- konzentration einen von außen nach innen abfes, beispielsweise Aluminium, Gallium und/oder Bor, nehmenden Wert auf. Hierdurch besteht leicht die mit einer p-leitenden Oberflächenschicht 3 von bei- 20 Möglichkeit, an der Oberfläche den beabsichtigten spielsweise etwa 70 μ Tiefe versehen. Die Schicht 3 Wert der Dotierungskonzentration vorzusehen, kann z. B. durch Erhitzen der Siliziumscheibe auf während die gesamte Zone 4 nicht diesen hohen Wert etwa 1230 ° C in einem evakuierten Quarzgefäß unter aufzuweisen braucht. So kann z. B. die Dotierungs-Anwesenheit von Aluminium hergestellt werden. konzentration der Zone 4 in der Tiefe, in der der Auch das Aluminium wird auf dieser Temperatur ge- 25 pn-Übergang zwischen den Zonen 6 und 4 später zu halten. Die Dauer der Behandlung kann etwa 35 liegen kommt, etwa 10¹⁷ cm"³ betragen. Stunden betragen. Es können Halbleiterscheiben von Man kann z. B. zunächst η-leitende Silizium-

10 bis 35 mm, z. B. 18 mm Durchmesser verwendet scheiben mit einer Aluminiumquelle in ein Quarzrohr werden. In die so vorbereitete Halbleiterscheibe wird einschließen und das Quarzrohr auf 1230° C 8 Stunauf der oberen Flachseite ein ringförmiger Graben 30 den lang erwärmen. Danach werden die Halbleitereingeätzt oder eingefräst, dessen Tiefe an jeder Stelle scheiben aus diesem Quarzrohr entfernt und in ein größer ist als die Dicke der eindifiundierten p-leiten- anderes Quarzrohr getan, in welchem sich eine GaI-den Schicht 3, so daß von dieser Schicht 3 eine kreis- liumquelle befindet. Dieses Quarzrohr wird darauf scheibenförmige Schicht 4 abgetrennt wird. Man kann ungleichmäßig erwärmt, und zwar in der Weise, daß die Auftrennung der die Halbleiterscheibe umgeben- 35 dort, wo sich die Siliziumscheiben befinden, eineTemden p-leitenden Schicht in zwei Zonen 3 und 4, die peratur von ebenfalls etwa 1230° C eingestellt wird, auf den beiden Flachseiten aufliegen, auch in der während an einer anderen Stelle, an der sich die Weise vornehmen, daß der gesamte Seitenrand der Galliumquelle befindet, eine Temperatur von etwa Scheibe entfernt wird; z. B. kann der gesamte Rand 950° C eingestellt wird. Diese zweite Behandlung abgeschliffen, abgeätzt oder durch Sandstrahlen ent- 40 wird etwa 30 Stunden lang durchgeführt. Infolge fernt werden. der Galliumdiflusion entsteht eine verhältnismäßig

In die p-leitende Schicht 4 wird eine ringscheiben- hohe Oberflächenkonzentration von 8 · 10¹⁷ bis förmige etwa 0,5% Antimon enthaltende Goldfolie 5 · 10¹⁸ cm~³ in dem gewünschten Bereich, während einlegiert, welche bei der Abkühlung von der Legie- in der Tiefe der Zone 4 und auch der Zone 3 die rungstemperatur eine Elektrode 5 und eine ihr vor- 45 p-Leitung durch Aluminium hervorgerufen wird, das gelagerte η-leitende Zone 6 und damit einen pn-Über- in der Tiefe eine geringere Dotierungskonzentration gang bildet, der in den F i g. 2 und 3 gestrichelt dar- ergibt.

gestellt ist. In die Aussparung im Zentrum der Elek- Durch die Ausbildung des steuerbaren Halbleiter-

trqde S wird eine scheibenförmige Elektrode 7, die bauelements nach der Erfindung wird nun folgendes später als Zündelektrode dient, einlegiert, beispiels- 5° bewirkt. Wird der Steuerkontaktelektrode 7 (s. Fig. 1) weise indem eine etwa 0,05 °/o Bor enthaltende Gold- ein Zündstrom zugeführt, der über die Elektroden 5 a folie einlegiert wird. Diese Elektrode? kontaktiert und Sb abgeführt wird, so durchfließt dieser Zünddie p-leitende Schicht 4 sperrfrei. strom den zwischen den Zonen 4 und 6 α bzw. 66

Die Elektrode 5 und die Zone 6 sind nach der Er- befindlichen pn-übergang. Hierdurch wird in bekannfindung mit einem langgestreckten Einschnitt ver- 55 ter Weise der mittlere pn-übergang, also der pnsehen, z. B. in der Weise aufgetrennt, daß zwischen Übergang zwischen den Zonen 2 und 4, durchlässig den entsprechenden Teilen 5 a, 5 b, 6 a und 6 b ein gemacht. Hierbei bestand nun immer eine Schwie-Teil der Zone 4 liegt. Die Zonen 2 und 4 bilden die rigkeit in der Hinsicht, daß der äußere Rand der inneren Zonen (Basiszonen), von denen die Zone 4 bei den bisherigen bekannten Ausführungsformen durch die Steuerkontaktelektrode 7 kontaktiert ist, 60 von steuerbaren Halbleiterbauelementen als geschloswährend die Zonen 3 und 6 die beiden äußeren sene Ringscheibe ausgeführten Zone 6 bzw. Kontakt-Zonen (Emitter) darstellen, von denen die der kon- elektrode 5 von der Zündelektrode 7 weiter entfernt taktierten inneren Zone 4 benachbarte äußere Zone 6 war als der innere Rand der Ringscheibe 5 bzw. 6. in die Teile 6 α und 6 b aufgeteilt ist. Hierdurch trat eine gewisse Verzögerung des Leitend-

Die auf der gegenüberliegenden Flachseite des 65 Werdens der gesamten Emitterfläche des steuerbaren Halbleiterkörpers befindliche p-leitende Zone 3 wird Halbleiterbauelements auf.

durch Einlegieren einer Elektrode 10 ebenfalls sperr- Bei der Ausführung eines steuerbaren Halbleiterfrei kontaktiert. Hierfür kann eine Folie gleicher bauelements nach der Erfindung fließt dagegen der

der Zündelektrode 7 zugeführte Strom nicht nur auf direktem Weg zu dem benachbarten Rand der Ringscheibe 5, sondern er fließt auch in der eine hohe Dotierungskonzentration aufweisenden Oberfläche der Zone 4 sozusagen durch die Trennungsfuge zwischen den Zonen6α und 6b. Er fließt demzufolge ebenfalls in der hochdotierten Oberfläche der Zone 4 außen um die gesamte Zone 6 herum. Der durch den Zündstrom sofort leitend gemachte Bereich der Emitterzone 6 wird also vergrößert. Das steuerbare Halbleiterbauelement wird damit gegen höhere Stromanstiegsgeschwindigkeiten, also höhere Schaltgeschwindigkeiten, weniger anfällig. Wichtig ist also einerseits, daß infolge der hohen Dotierungskonzentration an der Oberfläche dort eine quasimetallische Leitfähigkeit herrscht. Andererseits ist wichtig, daß die äußere Emitterzone, die der kontaktierten inneren Zone 4 benachbart ist, in der Weise aufgetrennt ist, daß der Zündstrom nicht etwa zwangsweise von der Zündelektrode 7 zum benachbatten Rand der Zone 7 fließen muß, sondern zu anderen Teilen des Randes der Zone 6 fließen kann.

Je nach der Größe des steuerbaren Halbleiterbauelements können die äußere Zone und die äußere Elektrode so aufgeteilt werden, daß eine mehrfache Auftrennung der äußeren Zone eintritt. In den F i g. 4 und 5 sind zwei Ausführungsformen dargestellt, welche eine mehrfache Aufteilung vorsehen. Gegebenenfalls genügt auch eine Ausführungsform, wie sie F i g. 6 zeigt. Wie aus den F i g. 1, 4, 5 und 6 hervorgeht, weist das steuerbare Halbleiterbauelement nach der Erfindung den großen Vorteil auf, daß es verhältnismäßig leicht herzustellen ist. Der die hohe Dotierungskonzentration an der Oberfläche der Zone 4 bewirkende Diffusionsvorgang ist leicht beherrschbar, und die Aufteilung der äußeren Zone 6 kann durch Einlegieren entsprechend aufgeteilter die Dotierung hervorrufender Folien bewirkt werden. Man kann z. B. eine ringscheibenförmige Gold-Antimon-Folie ausstanzen und dann durch Schnitte mit Hilfe einer Schere aufteilen. Die Breite des Einschnitts ist nicht sehr kritisch. Sie kann z. B. zwischen 0,1 und 3 mm betragen. Sie liegt zweckmäßig bei etwa 0,5 mm, also zwischen 0,3 und 0,8 mm.

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbares Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen einkristallinen Halbleiterkörper,

45 insbesondere aus Silizium, und mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von denen die beiden äußeren injizierenden Zonen und ihre Kontaktelektroden flächenhaft auf den beiden Flachseiten des Halbleiterkörpers angeordnet sind und bei dem eine im Verhältnis zu diesen Kontaktelektroden kleinflächige Steuerkontaktelektrode für die eine innere Basiszone in einer Aussparung in der ihr benachbarten äußeren Zone angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der der kontaktierten inneren Zone benachbarten äußeren Zone mindestens einen langgestreckten und die durch die äußere Zone an der Oberfläche getrennten Teile der inneren Zone verbindenden Einschnitt aufweist, in dem die kontaktierte innere Zone an die Oberfläche tritt, und daß die kontaktierte innere Zone an ihrer nicht kontaktierten Oberfläche eine Dotierungskonzentration von mehr als 3 · 10¹⁷ cm-³ hat.

2. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kontaktierte innere Zone an der Oberfläche eine Dotierungskonzentration von 8 · 10¹⁷ bis 5 · ΙΟ¹«* _cm-3 hat.

3. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine runde Scheibe ist und daß die Steuerkontaktelektrode der inneren Zone in der Mitte der einen Flachseite des Halbleiterkörpers angeordnet ist.

4. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschnitt eine Breite von 0,1 bis 3 mm, insbesondere von 0,5 mm, hat.

5. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der kontaktierten inneren Zone benachbarte äußere Zone durch einander schneidende streifenförmige Teile der kontaktierten inneren Zone unterbrochen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1103 389,

038;
französische Patentschriften Nr. 1243 356,

1342994;
USA.-Patentschrift Nr. 2 988 677.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen