CH672696A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, beispielsweise einem Thyristor, und insbesondere eine Ausführung, in welcher der negative Stellwinkelaufbau eines Mesateils verbessert wird.

In Fig. 3a ist ein Mesateil eines Halbleiterbauelements, beispielsweise eines herkömmlichen Thyristors, dargestellt. Dieser Thyristor hat eine ps-Schicht (Anode-Emitterschicht) 1, eine ns-Schicht (Anode-Basisschicht) 2, eine PB-Schicht (Kathode-Basisschicht) 3, eine ne-Schicht (Kathode-Emitterschicht) 4, eine Anodenelektrode 5, die auf die PE-Schicht 1 abgelagert ist, eine Kathodenelektrode 6, die auf die ne-Schicht 4 abgelagert ist, eine positive Neigungsebene 7, die zur Behebung des elektrischen Oberflächenfeldes des Mesateils dient, das dann entsteht, wenn eine Umkehrspannung zugeführt wird, sowie eine negative Neigungsebene 8, die zur Behebung des elektrischen Oberflächenfeldes dient, das dann entsteht, wenn eine Vorwärtsspannung zugeführt wird, und schliesslich erste, zweite und dritte p-Ver-bindungen 9, 10 und 11. Die Sperrfähigkeit der Vor- und Rückwärtsspannung des Thyristors sind jeweils auf die Zündspannungen basiert, die durch die elektrischen Feldstärken an den Oberflächenteilen der zweiten p-Verbindung 10, angrenzend an der nB-Schicht 2 und der pB-Schicht 3, sowie der ersten p-n Verbindung 9, angrenzend an der pE-Schicht 1 und der ng-Schicht 2, bestimmt werden. Es ist aber oft so, dass die lokale Feldkonzentration an demjenigen Oberflächenteil stattfindet, dem die p-n Verbindung durch den Einfluss von Oberflächenzuständen ausgesetzt wird, so dass die Zündspannung der p-n Verbindung sinkt. Um diesen Nachteil zu verhindern, wird die Mesafläche auf eine geometrische Form gebracht, welche in Fig. 3a gezeigt ist. Hier beschreibt die positive Neigung 7 (Fig. 3a) einen Fall, in dem der Querschnittsbereich von einer durch Fremdkörper leicht verunreinigten Seite, d.h. von der nB-Schicht 2, gegen eine stark verunreinigte Seite, d.h. zur PE-Schicht 1 hin zunimmt, wogegen die negative Neigung 8 einem Fall entspricht, bei dem der Querschnitt von einer stark verunreinigten Seite, d.h. der PB-Schicht 3, zur leicht verunreinigten Seite, d.h. der na-Schicht 2 hin zunimmt. Die Verhältnisse zwischen dem positiven Neigungswinkel 0 + und dem negativen Neigungswinkel 0- der jeweiligen Neigungswinkel zur elektrischen Feldstärke der Oberfläche sind im allgemeinen so, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. In der positiven Neigung 7 sinkt die elektrische Feldstärke,

wenn der Neigungswinkel 0+ abnimmt. Andererseits steigt die elektrische Feldstärke bei der negativen Neigung 8 auf einen bestimmten Neigungswinkel und sinkt anschliessend, wenn der

Neigungswinkel 0- abnimmt. Zur Aufrechterhaltung der Zündspannung der p-n Verbindung 10 muss demzufolge die negative Neigung 8 im Vergleich zur positiven Neigung 7 einen kleineren Winkel aufweisen.

Bei der herkömmlichen, oben beschriebenen Ausführung liegt der negative Neigungswinkel 0- im Bereich von 1-2°,

wenn ein Thyristor mit einer hohen, einer Vorwärts-Sperrspan-nung von etwa 3-6000 V entsprechenden Durchbruchsspannung erzeugt wird. Da die Diffusionstiefe der ps-Schicht hier im Bereich von 80 bis 100 um bei einem normalen Thyristor mit hoher Zündspannung liegt, beträgt die Neigungsbreite L nach Fig. 3a etwa 5 mm für einen negativen Neigungswinkel von 0— von 1°. Die Verarbeitung des Winkels erfolgt beispielsweise durch maschinelle Bearbeitung mittels einer Würfelmaschine (dicing machine) oder Polieren oder Sandstrahlen der Kanten. In diesem Falle nimmt der wirksame Bereich der Kathodenelektrode 6 ab, so dass eine Abnahme des durchschnittlichen EIN-Stromes und eine Zunahme der EIN-Spannung und des thermischen Widerstandes stattfindet. Diese wirken einem Hochhalten des Stromes des Gerätes entgegen. Ein herkömmliches Beispiel zur Behebung dieses Nachteils bestehend aus einer Struktur, in der positive Neigungen 7 sowohl für die Vorwärts- als auch für die Rückwärts-Richtung gebildet wurden, ist in Fig. 3b gezeigt. Diese Struktur ist aber mit dem Nachteil behaftet, dass die Kantteile 12 und 13 der Neigung während der Herstellung leicht abblättern, zersplittern, brechen usw. Ferner ist das Gerät, wegen der mit dessen Handhabung verbundenen Probleme, nicht für eine effiziente Massenherstellung geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiterbauelements mit einer hohen Zündspannung und einer hohen Tragfähigkeit, das nicht die Nachteile der oben beschriebenen Art aufweist und es ermöglicht, den mittleren EIN-Strom zu erhöhen und die EIN-Spannung sowie den thermischen Widerstand zu senken.

Die Halbleiterkomponente gemäss der Erfindung ist derart ausgeführt, dass ein negativer Stellwinkel geringer Grösse nur im Bereich der Sperrschicht auf der oberen Seite der zweiten p-n Verbindung ausgebildet ist.

Bei der vorliegenden Erfindung ist der Kathodenelektroden-bereich gegenüber bestehenden Ausführungen vergrössert, wobei der Aufwand zur Verarbeitung einer Neigungsebene reduziert wird.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungs-gemässen Halbleiterbauelements sowie herkömmliche Ausführungen anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. la, b zwei Teilquerschnitte durch eine erfindungsge-mässe Ausführungsform,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der elektrischen Feldstärkeverteilung von Neigungsteilen, die dann entstehen, wenn dem Element nach Fig. la und b eine Vorwärtsspannung zugeführt wird,

Fig. 3a, b zwei Teilquerschnitte durch herkömmliche Ausführungen, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit einer elektrischen Feldstärkenverteilung vom Neigungswinkel.

In Fig. la ist ein Teilschnitt durch eine Ausführungsform gezeigt, während eine graphische Darstellung der Verteilung einer Sperrschicht in Fig. lb abgebildet ist, welche Schicht beidseits der zweiten p-n Verbindung formiert ist. In diesen Figuren sind die gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 3a und b, für die gleichen Teile verwendet. In Fig. lb sind die jeweiligen Breiten einer Sperrschicht in einer Masse dann gezeigt, wenn eine angelegte Vorwärtsspannung zur Fremdstoffkonzentration beidseits der zweiten p-n Verbindung 10 umgekehrt proportional ist. Deshalb breitet sich der grösste Teil der Sperrschicht über die nB-Schicht 2 oder die Seite mit niederer Konzentration aus und breitet sich nur leicht über die pB-Schicht 3 oder die Schicht mit

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hoher Konzentration aus. Weil das Verhältnis zwischen den Fremdstoffkonzentrationen der pu-Schicht 3 und der nB-Schicht 2 normalerweise auf mehrere Hundert eingestellt wird, liegen die Breiten der Sperrschichten in der PB-Schicht 3 und der nB-Schicht 2 beim Anlegen einer Spannung von 5 kV jeweils bei et- s wa 5 bzw. 500 um. In der Umgebung der Oberfläche des Mesateils liegen die Breiten auch dann etwas über 10 um, wenn das Phänomen berücksichtigt wird, in dem die Sperrschicht infolge der Bildung eines Neigungswinkels gebogen ist. Deshalb kann die elektrische Feldstärke verringert werden, wenn die Oberflä- io che 8 nur in diesem Teil unter einem geringen Winkel geneigt ist, genauso, wie bei der Bildung der negativen Neigung bei der herkömmlichen Ausführung, so dass die elektrische Feldstärkenverteilung der Neigungsebenen A-B-C-D in Fig. lb so werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Falle kann eine 15

Neigungsbreite Li für den gleichen negativen Neigungswinkel 0- auf etwa 1 mm festgelegt werden, was etwa einem Fünftel der Neigungsbreite L der herkömmlichen Ausführung entspricht. Somit kann ein Teil L2, der bisher die negative Neigung gebildet hat, für die Elektrode 6 benutzt werden. Diese negative Neigung gemäss der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise durch Reibung, Sandstrahlen oder Ätzen geformt werden.

Wie vorangehend beschrieben, erzeugt die Erfindung eine negative Neigung an nur einem Teil der ausgebreiteten Breite einer Sperrschicht, die sich in der pB-Schicht 3 ausgebildet hat. Dies ist zur Schaffung eines Halbleiterbauelements mit hoher Zündspannung und grosser Tragfähigkeit wirksam, die den Bereich einer Kathodenelektrode vergrössern kann, wodurch es möglich wird, den mittleren EIN-Strom zu erhöhen und die EIN-Spannung sowie den thermischen Widerstand zu senken.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

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1. Halbleiterbauelement mit einer, zwischen einer ersten Schicht (2) mit niedriger Fremdstoffkonzentration und einer ersten Leitfähigkeitsart sowie einer an diese anstossenden zweiten Schicht (3) mit hoher Fremdstoffkonzentration und einer der ersten Leitfähigkeitsart entgegengesetzten Leitfähigkeitsart angeordneten p-n Verbindung, wobei das Halbleiterbauelement eine Struktur mit negativem Stellwinkel im Bereich der p-n Verbindung aufweist, derart, dass der Querschnitt des Halbleiterbauelements von der Schicht (3) mit hoher Fremdstoffkonzentration zur Schicht (2) mit niedriger Fremdstoffkonzentration hin zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass sich der negative Stellwinkel (9—) im wesentlichen nur über einen Oberflächenteilbereich (B-C) der Schicht (3) mit hoher Fremdstoffkonzentration erstreckt, welcher Teilbereich der Ausdehnung der durch Anlegen einer Spannung entstehenden Sperrschicht entspricht.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der negative Stellwinkel (0—) kleiner als 1 ° ist.