CZ297996A3 - Power semiconducting element - Google Patents

Description

Oblast technik^..

Vynález se týká výkonového polovodičového prvku, obsahujícího polovodičový substrát prvního vodivost ního typu, přičemž polovodičový substrát je ohřáni čen první a druhou hlavní plochou, více vanovitých oblastí druhého vodivostního typu opačného vůči prvnímu, kteréžto oblasti jsou ve směru od první hlavní plochy zapuštěny do substrátu.

Dosavadní stav techniky.

Takovýto výkonový polovodičový prvek je již po psán v pat. spisu EP-A1-0 528 349. Jedná se přitom o bipolární tranzistor s izolovaně uspořádanou řídicí elektrodou. Bipolární tranzistor s izolovaně uspořádanou řídicí elektrodou a také jiné výkonové poloO * vodičové prvky, jako vysokovýkonné diody nebo tyristo ry s izolovanou řídicí elektrodou mají v podstatě polovodičový substrát, do kterého na straně katody je zapuštěno více vanovitých oblastí. Vanovité oblasti jsou jiného vodivostního typu nežli polovodičový substrát. Tyto vanovité oblasti působí, podle provozníno stavu jako kolektorové nosiče náboje. V případě, že tyto oblasti j3ou dotovány vodivostně p, pak přitahu> jí díry.

Tranzistory mají vůči tvristorům tu přednost, že je u nich možné napětové řízení místo proudového,To je výhodné s ohledem na řízení výhonu.

Ve srovnání s tyristory zabraňuje vysoký napětový úbytek v propustném směru u tranzistorů průrazu pro nejvyšší napětí. Vyšší napětový úbytek je způsoben tím že hustota plazny v polovodičovém substrátu je ve srovnání s tyristorem menší. Jinými slovy, existuje méně nosičů nábeje, takže ohmický odpor je větší.

Opatřeními, omezujícími specielní koncentraci dotování a živoetnost nosičů se ve shora uvdedeném pat.

v spisu činí pokusy, dosahnouti nižšího napětového úbytku v propustném směru a krátké zapínací doby.Ve srovnání s tyristory jsou takto dimenzované tranzistory stále ještě ve velké nevýhodě. Byly činěny pokusy,zvládnout tento problém různými technologiemi, avšak z výrobně technického hlediska nepředstavují v souěasné době žádnou hospodárnou alternativy.

?oástata_vynálezu.

tfkolem vynálezu tudíž je, navrhnout výkonový polovodičový prvek, který má nízký propustný odpor a přesto je jednoduše a levně vyrobitelný.

Tento úkol se u shora uvedeného výkonového polo vodičového prvku podle vynálezu řeší tím, že v oblasti, ve které přecházejí vanovité oblasti v axiálním smě ru, při pohledu od první hlavní plochy ke druhé, do polovodičového substrátu, jsou uspořádány prostředky,které co možná nejvíce zabraňují toku nosičů nábojů dru3 hého vodivostního typu od polovodičového substrátu do vanovitých oblastí proti axiálnímu směru, avšak dovolují v podélném směru, probíhajícímu v podstatě v pravém uhlu ke směru axiálnímu.

Jádrem vynálezu tedy je, že jsou uspořádány pro střeky, které zabraňují dalekosáhlým způsobem axiál nímu toku nosičů náboje, zejména děr, ve směru přechodu od polovodičového substrátu k vanovitým oblastem.Nosiče nábojů nemohou tedy téci axiálně do vanovitých oblastí, nýbrž mu3Í se podélně vyhnout. Tím se zvětší hustota plazmy nosičů nábojů v substrátu a úbytek na pěti v propustném směru klesne. Toho se nejjednodušeji dosahne^rxapuětěné elektricky nevodivé vrstvy, která je uspořádaná v oblasti přechodu od vanovitých oblastí do plovodičového substrátu.

výhodný používán pro výrobu bipos izolovaně uspořádanou řídicí e s izolovanou řídicí elektrodou a

Vynález je jako lárních tranzistorů lektrodou, tyristorů také pro diody.

Vanovité oblasti jsou s výhodou uspořádány g okra jem, přivrácením k polovodičovému substrátu. V podélném směru je podélná vrstva periodicky přerušovaná a může poněkud přesahovat podélné omezení vanovitých oblastí. Aby se prvek učinil ještě necitlivější vůči přepětím, může být nevodivá vrstva v ústřední části vanovitých oblastí ještě přerušena.

Výhodné u vynálezu je zejména to, že u bipolárních tranzistoru s izolovaně uspořádanou řídicí elektrodou j taková struktura s propustným odporem, který je roven tyristoru, přičemž však tato struktura podle vynálezu .je vyrobitelná s hospodářsky nosnými náklady.

li®fci®}L2££áztň_na_y£krese.

Vynález bude v dalším textu blíže objasněn na pří kladech provedení, znázorněn-ých na výkreseeh.

Na obr. 1 je znázorněn řez diody, vytvořené podle vynálezu.

Na obr. je znázorněn řez částí tyristoru s izolovanou řídicí elektrodou, vytvořenými podle vynálezu

Na obr. 3 je znázorněn řez bipolárním tranzisto rera s izolovaně vytvořenou řídicí elektrodou.

Na obr. 4 je znázorněn pohled ze shora na část tranzistoru s izolvaně vytvořenou řídicí elektrodou podle vynálezu, s páskovitými emitorovými oblastní.

Na obr. 5 je znázorněn pohled ze shora na část bi polárního tranzistoru s izolovaně vytvořenou řídicí e lektrodou s emitorovými oblastmi ve tvaru ostrůvků po le vynálezu.

Na obr. 6 je znázorněn pohled ze shora na část bi polárního tranzistoru s izolovaně vytvořenou řídicí el ktrodou s tramcovitě vytvořenými emitorovými oblastmi

Naobr. 7 je znázorněna varianta realizace nevodiv vrstvy.

Vztahové značky, použité ve výkresech a jejich význam jsou uvedeny v seznamu vztahových značek. Zásadně jsou v obrázcích stejné části opatřeny stejnými vztahovými značkami.

Příklady or°^všhení_vynálezu₁

V dalším bude vynález nejdříve vysvětlen na bipolšrním tranzistoru s izolovaně uspořádanou řídicí elektrodou. Na obr. 3 je uvedený tranzistor znázorněn v řezu. Polovodičový substrát je dotován vodivostně n . Tento polovodičový substrát je ohraničen první, v obrázku horní a druhou, v obrázku dolní hlavní plochou.Dá to hoto substrátu _1 je ve směru od hlavní plochy nadifundováno více, např. p⁺ vodivostních vanovitých oblastí 2.V těchto oblasteeh 2 jsou uspořádány vodivostního typu n⁺ emitonové oblasti 4. Na druhou hlavní plochu navazuje vrstva 6 dotovaná vodivostně p. Tato vrstva je překryta, metalízou, která z důvodu lepší přehlednosti není znázorněna^atvoříá hlavní elektroda. Druhá elektroda je tvořena rovněž neznázorněnou meta lížou, která vytváří dotek mezi emitorovou oblastí 4 a vanovitou oblastí 2.Řídící elektroda je tvořena izolovaně uspořádanou vodivou vrstvou 5, která překrývá polovodičových substrát v rozmezí mezi dvěma vanovitými oblastmi 2a emitořovými oblastmi 4.Shora uvedený popis odpovídá obvyklé planární struktuře bipolárního tran zistoru s izolovaně uspořádanou řídicí elektrodou,která se může zhotovit jednod-uchou technologií D^OS.Ho 6 tový bipolární tranzistor s izolovaně uspořádanou řídící elektrodou sestává z více paralelně řazených jednotkových Článků, zahrnujících vždy jednu vanoví tou oblast.

Pokusy a simulace prokázaly, re polovodičový substrát 2 při vodivém stavu tranzistoru má pad vancvitou oblastí 2 poměrně nepatrnou hustotu děr. To je dáno tím, že vanovité oblasti 2, díry, které přicházejí od vrstvy 6, velice účinně z polovodičového substrátu odsávají. Úkolem vynálezu, zredukovat ob jemový podíl ve stavebním prvku, ve kterém dochází k odsvávání děr. Toho se dosáhne tím, že ve stavebním prvku jsou uspořádány prostředky, které tok děc od polovodičového substrátu 1 do vanovitých oblastí 2 v aciálním směru , t.j. v obr. 3 od zdola nahoru,co nejvíce omezují, avšak v podélném směru, probíhajícím v podstatě v pravém úhlu k axiálnímu směru, dovolují.

Tento úkol muže být řešen nevodivou vrstvou 3. Tato vrstva 3 se s výhodou uspořádá ještě uvnitř vanovitých oblastí, krátce před přechodem k polovodičovému substrátu l.V axiálním směru je vrstva 3 poměrně tenká t.j. zlomek yum až asi přibližně 1 yum. V podélném směru je vrstva 3 periodisky přerušovaná. Může několi málo /um přesahovat přes vanovité ob lasti. S úspěchem byla vyzkoušena vrstva 3» byla vytvořena v hloubce 3 ýin při pohledu ve směru od hlavní plochy a 1 yum před přechodem k polovodičovému substrátu 1. V podélném směru přesahovala vrstva 3 přibližně 5 um přes ohraničení vanovitých ob last í.

Výhodně se vrstva 3 zhotoví z oxidu křemiČi tého (Sií^), avšak jsou také možné jiné, elektricky nevodivé materiály. Vrstva 3 zabraňuje vanovitým oblastem 2 odsávat díry přes hradící vrstvu k polovodičovému substrátu. Dírám zbyde jen dráha úzkým okénkem mezi neznázorněnou první hlavní elektrodou nebo katodovým kontaktem a izolační vrstvou 3.Tímto opatřením do sáhne se velké hustoty děr. Pokusy a simulace prokázaly, že profil hustoty děr v celé tlouštce tranzistoru je poodbný diodě. Tento cíl byl předně sledován, aby se propustný odpor v tranzistoru snížil. Pro planární 3,3 kV tranzistor s vrstvou podle vynálezu bylo při tep lote 400 °K a proudu 50 A/cm^ dosaženo vůči odpoví dajícímu obvyklému prvku snížení napětového úbytku z 5.329 V na 3.339 V v propustném směru. Pro proud 100 A/cm bylo dokonce dosaženo snížení z 6.221 V na 3.918 V.

Elektricky nevodivá vrstva 3 podle vynálezu může se také zhotovit různými technologiemi, které se osvědčily při výrobě jiných polovodičových substrátů. První, ale relativně nákladnou variantou je implantace kyslíku (OJ s vynaložením vysoké energie s následujícím teplotním krokem pro vytvoření vrstvy oxidu křemičitého (Sio₂).

Jednodušší je nárůst epitaktní vrstvy vycházejíce z předem opracovaného polovýrobku s periodicky přerušovanou vrstvou oxidu křemičitého (SiO^). Protože vrstva kysličníku křemičitého je tenká, roste epitaktní vrstva také podélně přes vrstvu kysličníku křemičitého. V narostlé vrstvě se potom vytvoří požadované oblasti dotované vodivostně p⁺.

Z Power-ASlC technologie jsou již známy technolo8 gie, pomcí kterých ge mohou zhotovit ponořené vrstvy kysličníku křemičitého. Tyto jsou potřebné pro dielektrické izolování funkčních skupin v ASIC.

Jestliže by se měla citlivost tranzistoru vytvořeného podle vynálezu vůči přepětí zvýšit, v důsledku sníže odsávacího efektu děr vanovitých oblastí 2,pak se dopreučuje, vytvořit elektricky nevodivou vrstvu 3 přeruovaně ve středovém rozsahu vanovitých oblastí. Část děr může se potom vždycky ještě odsát ze středového rozsahu vanovitých oblastí 2. Příklad tohoto provedení ukazuje obr. 7.

Další stupeň volnosti představuje při dimenzování tranzistoru tvar emitorových oblastí 4. Jsou známy varianty s páskovými emitorovými oblastmi (obr. 4),s ostrůvkovitými emitorovými oblastmi (obr. 5) a trámco vitými emitorovými oblastmi (obr. 6). Každá varianta má své výhody.Vynález je pro každou z těchto variant použitelný. Obr. 4 až 6 ukazuje ze shora, že elektricky nevodivá vrstva 3 má být například uspořádaná přerušovaně podél páskových emitorových oblastí 2·Τοsamé platí pro ostrůvkovité emitorové oblasti 2 (obr. 5)» u kterých se má uspořádat vždy pro dvě oblasti je· dna nebodivá vrstva 3.Analogicky to platí pro trámcovité emitorové oblasti 2 )obr. 6). Zde ja každý trámec obklopen vrstvou 3.

Je samozřejmé, že vrstva 3 se může v opaku k př: kladům, znázorněným v obr. 4 až 6, také provésti ne přerušovaná. Pak se mohou ovšem vyskytnou ty samé problémy s přepětím, jak bylo již vysvětleno v souvislosti s obr. 7.

Až dosud byl vynález vysvětlován na příkladu tranzistoru. Není však na něj omezen, nýbrž muže se taká použít u diod, zejména u SPEED-diod, nebo tyristorů. nebo vy3okový4honových diod.

Obr. 2 ukazuje část vysokovýfconové diody nebo tyristoru v řezu. V opaku k tranzistoru jsou dva typy jednotkových článků k disposici. Jeden tranzistorový článek S,který je charakteristický třívrstvou strukturou a jeden tyristorový článek 10, který má čtyř vrstvou strukturiS. Způsob funkce tyristoru a diody je psána v pat. spisu JP 63-310171 A a pat. spisu DE 4-0 24 526 AI. Jejich zveřejněním na somto místě dává možnost seznámení se s jejich obsahem, a tudíž jejich funkci není třeba na tomto místě opakovat.

U tyristoru a diody odsává vanotitá oblast 2 vodivosti p^ jednotkového tranzistorového článku 9 ' díry tak silně, že stabilizace tyristorového článku 10 není možná. Aby se sací účinek děr tranzistorového článku 9 snížil, může se analogicky analogicky s bipo lárním tranzistorem uspořádat elektricky nevodivá vrstva ve vanovité oblasti 2 révho článku 9.

vodivosti p tranzisto Vynález se také s výhodou používá pro tak zvané SPEED-diody. Obr. 1 ukazuje takovýto příklad. U tako výchté diod v p dotovanén anodovém eraitoru 7 uspořádány vanovité p⁺ dotované oblasti 2. Jestliže jsou tyto vanovité oblasti 2 rovněž vybaveny nevodivou vrstvou 3 podle vynálezu, pak se dostane v důsledku zemnšeného sacího účinku děr dioda s vysokou odolností vůči dynamickým lavinovitým průrazům., (dynamic avelanche break down)·

Souhrne lze říci,že opatřeními podle vynálezu se dostanouvýkonové polovodičové prvky, jejichž hustota plazmy je po celé tlouštce stavebního prvku ve srov nání s obvyklými strukturami vyšší, tělně nižšího propustného odporu.

Tím se dosáhne zře

Claims (10)

1. NÁROKY

   1. Výkonový polovodičový prvek obsahuje polovodičový substrát prvního vodivostního typu, přičemž polovodičový substrát je ohraničen první a druhou hlavní plochou více vanovitých oblastí druhého vodivostního typu, opačného vůči prvnímu, kteréžto oblasti jsou ve směru od první hlavní plochy zapuštěny do polovodičového substrátu, vyznačující se tím, že v rozsahu, ve kterém vanovité oblasti (2) přecházejí v a xiálním směru, při pohledu od první hlavní plochy ke druhé,do polovodičového substrátu (1), jsou uspořádány prostředky (3), které co možná nejvíce omezují toknosičů nábojů druhého vodivostního typu od polovodičového substrátu (1) do vanovitých oblastí (2) v axiál ním směru, v podélném směru, probíhajícím v podstatě v pravém úhlu k axiálnímu směru, však dovolují.
2. 2. Výkonový polovodičový prvek podle nároku 1, vyznačující se tím, že prostředky obsahují nevodivou vrstvu (3).
3. 3. Výkonový polovodičový prvek podle nároku 2, vyznačující se tím, že nevodivá vrstva (3) je v podélném směru preiodicky přerušovaná,že vrstva (3) je ve srovnání s hloubkou vanovité oblasti (2) v axiálním směru tenká, ale je vytvořena ještě uvnitř vanovité oblasti a v podélném směru vyčnívá v rozsahu zlomků yum nad vanovité oblasti (2).
4. 4.Výkonová polovodičový prvek podle některého z předcházejících nároků 1 až 3, vyznačující se tím,že polovodičový výkonový prvek má funkci bipolárního stranzistoru s izolovaně uspořádanou řídicí elektrodou (5), přičemž ve vanovitých oblastech (2) jsou uspořádány enitořové oblasti (4) prvního vodivost ního typu, kteréžto emitorové oblasti jsou spojeny s první hlavní elektrodou, řídicí elektroda (5) pře krývá první hlavní plochu v rozsahu mezi dvěma va novitými oblastmi (2) a přesahuje na emitorové oblasti (4), a vedle druhé hlavní plochy je uspořádaná kolektorová vrstva (6) druhého vodivostního typu, která je spojena s s druhou hlavní elektrodou.
5. 5. Výkonový polovodičový prvek podle bodu 4,vyznačující se tím, že emitorové oblasti (4) jsou vytvořeny jako pásk^a nevodivá vrstva (3) je ve směru pásků přerušena.
6. 6. Výkonový polovodičový prvek podle nároku 4,vyznačující se tím, že emitorové oblasti (4) jsou vytvořeny jako ostrůvky a nevodivá vrstva je přerušena, takže vždy dva protilehlé ostrůvky jsou ohraničeny.
7. 7.Výkonový polovodičový prvek podle nároku 4,vyznačující se tím, že emitorové oblasti (4) jsou vytvořeny ve tvaru trámce, táhnoucího se v podstatě urea celou vanovitou oblasti ^2) a že nevodivá vrs tvPJe přerušena, takže je vždy omezena na jeden trámec·
8. 8. Výkonový polovodičový prvek podle nároku 4,vyznačující se tím, že nevodivá vrstva (3) je přerušena ve středovém rozsahu vanovitých oblastí (2).
9. 9. Výkonový polovodičový prvek podle některého z předcházejících nároku 1 až 3, vyznačující se tím, že výkonový polovodičový prvek má funkci diody, a vano vité oblasti (2) jsou obklopeny první vrstvou (7) druhého vodivostního typu hraničící s první hlavní plochou, přičemž tato první vrstva je slaběji dotovaná nežli vanovité oblasti (2), na hranici s druhou hlavní plochou je uspořádaná druhá vrstva (8) téhož vodivostního typu jako polovodičový substrát (1),přičemž druhá vrstva je dotovaná silněji nežli polovodičový substrát (1).
10. 10. Výkonový polovodičový prvek podle některého z předcházejících nároků 1 až 3» vyznačující se tím, že výkonový polovodičový prvek má fukci tyristoru nebo vysoko výkonové diody a obsahuje tranzistorové články (9) a tyristorové články (10) a vanovité oblasti (2)tranzistorových článkků (9) jsou opatřeny nevodivou vrstvou (3).