DD154049A1

DD154049A1 - Steuerbares halbleiterbauelement

Info

Publication number: DD154049A1
Application number: DD80224827A
Authority: DD
Inventors: Siegfried Wagner
Original assignee: Siegfried Wagner
Priority date: 1980-10-30
Filing date: 1980-10-30
Publication date: 1982-02-17
Also published as: CS626381A1; US4550332A; CS237971B1; DE3131608A1; JPS57103353A

Abstract

Steuerbares Halbleiterbauelement zur Leistungssteuerung mit sehr geringer Steuerleistung beispielsweise als Bindeglied zwischen datenverarbeitender Mikroelektronik und gesteuerten Leistungskreisen sowie fuer den Einsatz bei der Signaluebertragung, vorzugsweise in der Fernsprechtechnik. Das Ziel der Erfindung ist es, Leistungssteuerungen im Vergleich zu herkoemmlichen Thyristorleistungssteuerungen im Aufbau zu vereinfachen und somit den Einsatz von Leistungselektronik oekonomisch guenstiger zu gestalten. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein steuerbares Halbleiterbauelement mit Eigenschaften aehnlich bekannten Thyristoren zu schaffen, welches mittels einer Steuerelektrode leistungslos gesteuert werden kann. Gemaess der Erfindung wird die Aufgabe dadurch geloest, dass zwischen auf der Halbleiteroberflaeche 1 aufgebrachten Elektroden 5, 7 eine V- oder U-foermige Vertiefung 4 eingebracht ist, die mit einer isolierten Steuerelektrode 6 versehen ist und unter dem tiefsten Teil der Vertiefung 4 ein vorzugsweise p-dotiertes Kanalgebiet 9 angeordnet ist. An einer Seite dieses Gebietes grenzt ein erstes Elektrodengebiet 8, welches an die erste Elektrode 5 und eine Seite der Vertiefung angrenzt. An der anderen Seite grenzt ein Substratgebiet 11 an, das an die andere Seite der Vertiefung 4 anstoesst und bis zu einem unter der zweiten Elektrode 7 angeordneten zweiten Elektrodengebiet 10 reicht. - Figur 1 -

Description

-4- 22 4 82

Steuerbares Halbleiterbauelement Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Leistungssteuerungen, bei denen es darauf ankommt, mit sehr geringer Steuerleistung große Leistungen zu steuern oder zu schalten, wie beispielsweise bei Bindegliedern (Interface) zwischen datenverarbeitender Mikroelektronik und gesteuerten leistungsstarken Stromkreisen oder bei Verbindungsstellen verschiedener Stromkreise, vorzugsweise in der Fernsprechtechnik, bei gesteuerten Antrieben mit Elektromotoren oder bei Stromversorgungsgeräten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannte Lösungen steuerbarer Halbleiterbauelemente sind in Thyristoren zu sehen. Thyristoren der bekannten Art sind Bipolarbauelemente mit einer Schichtfolge n⁺ ρ np⁺, die mit äußeren Kontakten an der n⁺-Schicht (Katode), der p⁺-Schicht (Anode) und an der inneren p-Schicht (Steuerelektrode), seltener an der inneren n-Schicht (Steuerelektrode) versehen sind. Sie haben bezüglich der Polung der Anoden-Katodenspannung und der Steuerspannung unsymmetrische Kennlinien, können jedoch auch in Antiparallelschal tung, innerhalb eines Halbleiterplättchens zu symmetrisch wirkenden Bauelementen (oft als Triacs bezeichnet) zusammengeschaltet werden. Thyristoren sind bei Polung in Rückwärtsrichtung (cei negativer

22 A 827

Anodenspannung) bis zur Durch.bruchspannung gesperrt. In umgekehrter Polung springen sie oberhalb'einer, von der Steuerspannung abhangigen, Kippspannung zwischen Anode und jiatode vom Sperrzustand in einen hochleitfähigen Zustand (Zünden).

Nachteilig ist dabei, daß an der Steuerelektrode verhältnismäßig große Ströme und Leistungen benötigt werden, jedoch nach der Zündung die Steuerelektrode fast unwirksam ist und diese Thyristoren von der Steuerelektrode aus nur schwer dzw· nicht zu löschen sind und insbesondere bei Hochleistungsthyristoren mit erheblichen Nachteilen belastete Unterbrechungen der Hauptstromkreise nötig sind.

Weiterhin ist ein Thyristor bekannt, der eine isolierte Steuerelektrode verwendet und auf dem bekannten Wirkprinzip des Doppel-Diffusions-MIS-Feldeffekttransistors (DMOS-Transistor) basiert, welcher durch ein oder zwei zusätzliche Diffusionsgebiete zum unsymmetrischen Thyristor bzw« Zweirichtungs-Thyristor erweitert wird.

Dabei bietet sich zwar die Möglichkeit eines praktisch leistungslosen Einschaltens des Thyristors, jedoch ist dieser von der Steuerelektrode aus nicht vollständig steuerbar, so daß dieser Thyristor eine besondere Löschschaltung benötigt, wodurch die beschriebenen Nachteile zum Tragen kommen.

Die Löschschaltung, die im wesentlichen aus MIS- und Bipolartransistoren bestehen würde, könnte mit integriert werden, was sich jedoch wiederum bei der Anwendung als Leistungselement nachteilig auswirken würde.

Ziel der Erfindung

l>as Ziel der Erfindung besteht darin, mit einem steuerbaren Halbleiterbauelement, welches mit bekannten Technologien der Mikroelektronik herstellbar ist, und neue Eigenschaften aufweist, Leistungssteuerungen im Vergleich zu herkömmlichen Thyristorleistungssteuerungen

-э- 224827

im Aufbau zu vereinfachen und somit den üiinsatz von Leistungselektronik ökonomisch günstiger zu gestalten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein steuerbares Halbleiterbauelement mit Eigenschaften ähnlich bekannten Thyristoren zu schaffen, welches mittels einer Steuerelektrode leistungslos gesteuert werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird davon ausgegangen, daß nach bekannter Art und Weise in einer Halbleiterschicht, die an der Unterseite durch eine Trägerschicht begrenzt ist, welche aus Isolationsmaterial oder Halbleitermaterial bestehen kann, eine V- oder U-förmige Vertiefung eingebracht ist und diese Vertiefung mit einer Isolierschicht versehen ist. Auf der Isolierschicht ist eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die vorzugsweise aus Metall oder Polysilizium besteht und die mit einem Anschluß versehen ist, der die Steuerelektrode des Halbleiter Dauelementes darstellt.

Gemäß der Erfindung ist neben der Vertiefung die Isolierschicht des Halbleitermaterials mit einem Fenster versehen, in dem sich eine weitere elektrisch leitende Schicht befindet, welche mit einer ersten Elektrode versehen ist. Darunter ist im Halbleitermaterial ein erstes Elektrodengebiet eingebracht. Dieses Gebiet ist vorzugsweise n⁺-dotiert und erstreckt sich bis zu der diesem Gebiet zugewandten Seite der V- oder U-förmigen Vertiefung.

In einem seitlichen Abstand zu einer anderen, vorzugsweise der gegenüberliegenden Seite der Vertiefung ist in die Isolierschicht aes Halbleitermaterials ein zweites Fenster eingebracht, in dem sich eine weitere elektrisch leitende Schicht befindet, welche mit einer zweiten Elektrode versehen ist. Darunter ist im Halbleitermaterial ein zweites Elektrodengebiet eingebracht. Dieses Gebiet ist vorzugsweise p⁺-dotiert. An dieses Gebiet schließt

-4- 224 827

sich in Richtung zur Vertiefung ein Substratgebiet an, welches vorzugsweise η-dotiert ist, und erstreckt sich bis zu einer diesem Gebiet zugewandten Seite der Vertiefung. Unter dieser Vertiefung befindet sich ein vorzugsweise p-dotiertes Kanalgebiet, welches an das erste Elektrodengebiet, an das Substratgebiet und an die Vertiefung angrenzt.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleiterbauelementes ist darin zu sehen, daß die erste Elektrode bei n⁺-Dotierung des ersten Elektrodengebietes eine Katode und die zweite Elektrode bei p⁺-Dotierung des zweiten Elektrodengebietes eine Anode, vergleichbar mit bekannten Thyristoren, darstellt und der Stromfluß zwischen diesen beiden Elektroden über eine Steuerelektrode steuerbar ist. Bei Anlegen einer Gleichspannung zwischen erster und zweiter Elektrode, wobei die zweite Elektrode mit positivem Potential beaufschlagt wird (Vorwärtsrichtung) und Anlegen einer geeigneten Spannung an die Steuerelektrode wird an der Randfläche der Isolierschicht der Vertiefung zum anstehenden Halbleitermaterial ein Inversionskanal ausgebildet. In diesem Inversionskanal fließt ein durch die Steuerspannung festgelegter Strom zwischen dem ersten Elektrodengebiet und dem Substratgebiet. Durch den Kanalstrom erfolgt eine Potentialverschiebung des Substratgebietes in einen negativeren Bereich. Damit wird die Sperrspannung über dem pn-Übergang zwischen Kanal- und Substratgebiet etwas verringert, wodurch auf die in Flußrichtung gepolten pn-übergänge zwischen erstem Elektrodengebiet und Kanalgebiet sowie zwischen Substratgebiet und zweitem Elektrodengebiet ein höherer Anteil aer Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode entfällt. Damit emittieren diese pn-Übergänge über den gesamten Querschnitt intensiv Ladungsträger zu dem pn-übergang zwischen Kanal- und Substratgebiet, wodurch ein Umschlag in einen niederohraigen (gezündeten) Zustand erfolgt.

- 5 - 2 2 4 8 2

Ist die Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode in Rückwärtsrichtung gepolt, d. h. die zweite Elektrode negativ gegen die erste Elektrode, sind die beiden voneinander unabhängigen pn-Übergänge zwischen dem ersten Elektrodengebiet und Kanalgebiet und zwischen Substratgebiet und dem zweiten Elektrodengebiet gesperrt und nehmen die gesamte Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode auf. Es fließt nur der Sperrstrom, dessen Fluß durch die in das Kanalgebiei; nineinragende Vertiefung zusätzlich erschwert wird. Ein höherer Stromfluß wird damit nur durch Überschreiten der Durchoruchspannung erreicht.

Ein Beaufschlagen der Steuerelektrode mit einer Spannung führt nicht zu einem leitfähigen Zustand des halbleiterbauelementes in Rückwärtsrichtung. Es besteht die Möglichkeit, das erste Elektrodengebiet und das Kanalgebiet und die erste Elektrode untereinander elektrisch leitend zu verbinden. Mit einer derartigen Verbindung wird erreicht, daß die Steuerbarkeit des Halbleiterbauelementes voll erhalten bleibt, d. h. daß nach dem Zünden der Sperrzustand des Halbleiterbauelementes von der Steuerelektrode aus wieder herbeigeführt werden kann, da der pn-übergang zwischen dem ersten Elektrodengebiet und dem Kanalgebiet nicht, wie für den Fall rehlender elektrisch leitender Verbindung, voll geöffnet ist, da das erste Elektrodengebiet und das Kanalgebiet gleiches Potential aufweisen. Somit emittiert dieser pn-übergang vorrangig nur Ladungsträger über den Inversionskanal und nicht mehr über den gesamten Querschnitt in das Substratgebiet. Wird der Inversionskanal aurch Wegnahme der Steuerspannung an der Steuerelektrode unterbrochen, unterbleibt die Potentialverschiebung des Substratgebietes und uas steuerbare Halbleiterbauelement verlöscht. Die gleiche Wirkungsweise weist ein Halbleiterbauelement auf, welches zusätzlich oder alternativ im Querschnitt Vorzugsv/eise durch Verwendung einer aünnen

"^б" 224827

Halbleiterschicht in der Größenordnung von 0,5 bis 5 /um auf einer Trägerschicht verringert ist. Damit wird der Querschnitt des Kanalgebietes unter der Vertierung verringert, so daß die Emission von Ladungsträgern des pn-Überganges über den gesamten Querschnitt so reduziert wird, daß der Hauptanteil des Ladungsträgerflusses über den Inversionskanal erfolgt und damit die Steuerbarkeit des Halbleiterbauelementes erhalten bleibt bzw. unterstützt wird.

Das Substratgebiet kann einen Bereich höherer Dotandenkonzentration als das Substratgebiet an sich aufweisen, welches sich von der Seite der Vertiefung, an die das Substratgebiet anstößt, unter der Oberfläche des Halbleitermaterials zu dem zweiten Elektroaengebiet hin erstreckt. Dabei berührt dieses Gebiet höherer Dotandenkonzentration nicht das zweite Elektrodengebiet. Mit dieser Anordnung wird eine Verbesserung der Steuerbarkeit und der Spannungsfestigkeit durch eine günstigere Form der Raumlaüungsverteilung und des elektrischen Feldes erreicht.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes weist unter der zweiten Elektrode einen Schichtaufbau auf, der mit dem Schichtaufbau unter der ersten Elektrode spiegelbildlich identisch ist. Dabei ist zwischen der Vertiefung und der zweiten Elektrode eine zusätzliche V- oder U-förmige Vertiefung, die ebenfalls eine Isolierschicht und eine Elektrode an der Oberseite aufweist, eingebracht, wobei der Schichtaufbau unter dieser zusätzlichen Vertiefung mit dem Schichtaufbau unter der Vertiefung ebenfalls spiegelbildlich identisch ist.

Die Wirkungsweise eines derartigen Aufbaues besteht darin, daß bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode der Stromfluß durch das Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode und/oder von der zusätzlichen Steuerelektrode, die beide

22 A 827

miteinander elektrisch leitend verbunden sein können, gesteuert werden kann. Eine Abhängigkeit von der Polarität der Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode besteht, d. h., daß bei Anlegen sowohl einer gegenüber der zweiten Elektrode positiven als auch negativen Spannung an die erste Elektrode ein Zünden des Halbleiterbauelementes in beschriebener Art und Weise erfolgen kann.

Sämtliche beschriebenen Anordnungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes können so aufgebaut sein, daß die p- und η-Dotierungen gegenüber der beschriebenen Reihenfolge vertauscht sind, wobei die Wirkungsweise erhalten bleibt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen nachstehend näher erläutert weraen.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße steuerbare Halbleiterbauelement mit asymmetrischem Aufbau,

Fig. 2 einen Schnitt; durch das erfindungsgemäße steuerbare Halbleiterbauelement mit asymmetrischem Aufbau mit Querschnittsverringerung durch isolierende Trägerschicht und

Fig. 3 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße steuerbare Halbleiterbauelement mit symmetrischem Aufbau.

In den Ausführungsbeispielen wird Silizium als Halbleitermaterial zugrunde gelegt, welches derzeit als wichtigstes Material bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen Verwendung findet. Auf andere Materialien sind nachstehend beschriebene Anordnungen ebenfalls übertragbar.

_₈ _ 224 827

Bei dem steuerbaren Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1 ist auf der Oberfläche 1 des Halbleitermateriales eine mit Fenstern 2 versehene Isolierschicht 3 aufgebracht. In das Halbleitermaterial ist durch selektives Ätzen eine V-förmige Vertiefung 4 eingebracht. Auf der Oberfläche 1 im Bereich der Vertiefung 4 beträgt die Dicke der Isolierschicht 3 etwa 0,1 /um. Die Isolierschicht 3 besteht in diesem Bereich aus thermisch oxidiertem SiOp, die der restlichen Oberfläche 1 aus abgeschiedenem SiOp, sogenanntem Feldoxid. In den Fenstern 2 der Isolierschicht 3 und auf der Isolierschicht 3 im Bereich über der V-förmigen Vertiefung 4 sind Schichten aus Metall oder polykristallinem Silizium aufgebracht, die mit Kontakten versehen sind. Das links neben der Vertiefung 4 angeordnete Fenster 2 in der Isolierschicht 3 beinhaltet die als Katode wirkende elektrisch leitfähige Schicht einer ersten Elektrode 5· Eine Steuerelektrode б wird durch die elektrisch leitfähige Schicht auf der Isolierschicht 3 im Bereich über der Vertiefung 4 gebildet und das rechts neben der Vertiefung 4 angeordnete Fenster 2 in der Isolierschicht 3 beinhaltet die als Anode wirkende elektrisch leitfähige Schicht der zweiten Elektrode 7.

Unter, der ersten Elektrode 5 befindet sich ein ^-dotiertes erstes Elektrodengebiet 8, welches an einem Teil der linken Seite der Vertiefung 4 anstößt. Dabei überdeckt dieses erste Elektrodengebiet 8 die erste Elektrode 5 nicht ganz, sondern läßt noch einen Bereich frei, in dem ein p-dotiertes Kanalgebiet 9 an die erste Elektrode 5 anstößt. Von der ersten Elektrode 5 aus verläuft das Kanalgebiet 9 wannenförmig unter dem ersten Elektrodengebiet 8, umschließt die Spitze der V-förmigen Vertiefung 4 und endet rechts der Vertiefung 4 in Höhe des ersten Elektrodengebietes 8. Unter der zweiten Elektrode 7 ist ein p⁺-dotiertes zweites Elektrodengebiet 10 wannenförmig angeordnet. Das Halbleitermaterial, in das die Dotierungsgebiete eingebracht sind, ist n-dotiert

22Д827

und stellt beim fertigen Halbleiterbauelement das Substratgebiet 11 dar.

Das Substratgebiet 11 weist einen Bereich 12 höherer Dotandenkonzentration in der Größenordnung von großer als 10 ° cm~^ auf, der anstoßend an der rechten Seite der Vertiefung 4- in Richtung zum zweiten Elektrodengebiet 10 über dem Kanalgebiet 9 verläuft. Als Trägerschicht 13 findet p-dotiertes Halbleitermaterial Verwendung.

Das Substratgebiet 11 hat eine Dotandenkonzentration

14 -3

in der Größenordnung von 10 cm ^, das Kanalgebiet 9 eine Akzeptorenkonzentration in der Größenordnung von

16 17 —4 10 bis 10 ' cm -% das erste Elektrodengebiet 8 eine

19 —3 Dotandenkonzentration größer als 10 ^y cm ^J und das

zweite Elektrodengebiet 10 weist eine Akzeptorenkonzentration von ΙΟ¹? bis 10²¹ cm~3 auf.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten steuerbaren Halbleiterbauelementes beschrieben.

In Rückwärtsrichtung wird an die zweite Elektrode 7 eine gegen die erste Elektrode 5 negative Spannung gelegt. Die Spannung zwischen Steuerelektrode 6 und der zweiten Elektrode 7 sei vorerst Null bzw. kleiner als eine Schwellspannung. Damit ist der pn-übergang zwischen dem zweiten Elektrodengebiet 10 und dem Substratgebiet 11 gesperrt und die zugehörige Raumladungszone nimmt den größten Teil der angelegten Spannung zwischen erster Elektrode 5 und zweiter Elektrode 7 auf und dehnt sich entsprechend weit in das Substratgebiet 11 aus. Der pn-Übergang zwischen dem Substratgebiet 11 mit dem dazugehörigen Bereich höherer Dotandenkonzentration 12 und dem Känalgebiet ist geöffnet und seine Raumladungszone schmal, Der pn-übergang zwischen dem ersten Elektrodengebiet und dem Kanalgebiet 9 kann keine größeren Spannungen aufnehmen, da der gemeinsame Kontakt an der ersten Elektrode 5 beide Gebiete auf annähernd gleiches Potential legt.

- ю- 22 A 82 7

Wenn die Steuerelektrode б negativ gegen die erste Elektrode 5 vorgespannt ist, wird das erste Elektrodengebiet 8 und der Bereich, höherer Konzentration 12 des Substratgebietes 11 kaum beeinflußt und am Kanalgebiet 9 wird an der Oberfläche 1 des Halbleiters im Bereich der Vertiefung 4 im Halbleitermaterial ein Inversionskanal ausgebildet, der das erste Slektrodengebiet 8 und den Bereich höherer Konzentration des Substratgebietes 11 verbindet. Der darin fließende Strom ist jedoch klein, da zwischen den beiden Gebieten 8 und 12 auf Grund des geöffneten pn-Überganges zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 nur eine niedrige Spannung liegt. Die Steuerspannung an aer Steuerelektrode б hat also in Riickwärtsrichtung keinen bedeutenden Einfluß.

In Vorwärtsrichtung liegt an der zweiten Elektrode 7 eine gegen die erste Elektrode positive Spannung. Die Steuerelektrode 6 liegt zunächst auf dem Potential der ersten Elektrode 5 bzw. unterhalb der Schwellspannung. Der pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 ist gesperrt und die zugehörige Raumladungszone breitet sich vor allem in die schwächer dotierten Bereiche aus. Sie wächst von der Grenze des hoch dotierten Bereiches 12 mit zunehmender Spannung nach unten in das Kanalgebiet 9> während sie sich an der Grenze zwischen dem Kanalgebiet 9 und dem schwach dotierten Substratgebiet 11 stärker in das Substratgebiet 11 erstreckt.

Die Raumladungszonen aer pn-übergänge zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 sowie zwischen dem zweiten Elektrodengebiet 10 und Substratgebiet 11 sind schmal, da sie in Flußrichtung gepolt sind. Die Flußspannung über dem pn-Uberg_ang zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 ist wegen des gemeinsamen Kontaktes an aer ersten Elektrode 5 sehr klein. Diese beiden in Flußrichtung gepolten pn-Übergänge emittieren zum gesperrten pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 hin Ladungsträger. Der Hauptanteil der Spannung zwischen erster Slektrode 5 und zweiter

_-ri _ 22 A 827

Elektrode 7 wird von diesem gesperrten pn-übergang aufgenommen.

Durch den gemeinsamen Kontakt des Kanalgebietes 9 und des ersten Elektrodengebietes 8 an der ersten Elektrode 5 und dem damit verbundenen Potentialausgleich beider Gebiete 5 und 8, ist die Ladungsträgeremission des pn-Überganges zwischen den beiden Gebieten 5 und 8 schwach und außerdem behindert der verringerte Querschnitt des Halbleitermateriales unter der Vertiefung 4 den Ladungsträgerfluß. Damit erfolgt noch kein Übergang in einen niederohmigen Zustand (Zünden) des Halbleiterbauelementes.

Der pn-übergang zwischen der Trägerschicht 13> die aus p-dotiertem Halbleitermaterial besteht, und dem Substratgebiet 11 ist sowohl für die Vor- als auch für die Rückwärtsrichtung funktionell ohne Bedeutung, da dieser in jedem Falle in Sperrichtung gepolt ist.

Wenn an der Steuerelektrode 6 eine gegen die erste Elektrode 5 positive Spannung angelegt wird, die größer ist, als die Schwellspannung, so wird die Strecke entlang der Oberfläche 1 des Halbleitermateriales im Bereich der Vertiefung 4 zwischen dem ersten Elektrodengebiet 5 und dem Bereich höherer Konzentration 12 durch den sich bildenden Inversionskanal im Halbleitermaterial überbrückt.

Der Elektronenstrom im Kanal verschiebt das Potential

11

des Substratgebietes zu negativen V/erten. Der pn-übergang zwischen dem zweiten Elektrodengebiet 10 und dem Substratgebiet 11 wird weiter geöffnet und emittiert einen Löcherstrom zum gesperrten pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11, von wo er über das Kanalgebiet 9 zur ersten Elektrode 5 gelangt. Der Inversionskanal und der Löcherzustrom aus dem zweiten Elektrodengebiet 10 reduzieren die über dem gesperrten pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 liegende Sperrspannung auf kleinere Werte. Die von der Steuerspannung bewirkte Ausbildung des Inversionskanales hat einen starken Stromanstieg und einen Abfall der

-12- 22 A 827

zwischen der ersten Elektrode 5 und der zweiten Elektrode 7 liegenden Spannung zur Folge, Das Bauelement ist gezündet.

Die Spannung zwischen den beiden Elektroden 5 und 7 ist nach dem Zünden von der Steuerspannung an der Steuerelektrode 6 abhängig. Die Steuerspannung muß ständig anliegen bleiben, um den Zündzustand aufrecht zu erhalten.

Wenn die Steuerspannung auf Null gesenkt wird, bzw. unter die Schwellspannung sinkt, löscht das Halbleiterbauelement.

Somit ist dieses Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode aus löschbar, worin ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsvariante liegt.

Das in Fig. 2 dargestellte Halbleiterbauelement entspricht im Aufbau über der Oberfläche 1 dem in Fig. 1 dargestellten, wobei jedoch die Vertiefung 4 nicht vsondern U-förmig ausgestaltet ist.

Das gesamte Halbleitermaterial ist auf der Trägerschicht 13, die aus isolierendem Material besteht, vorzugsweise Saphir, als dünne Schicht epitaktisch aufgebracht. Die Schichtdicke liegt in der Größenordnung von 0,5 bis 5 /um.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist unter der als Katode wirkenden ersten Elektrode 5 sin. erstes Elektrodengebiet 8 eingebracht, welches die Kontaktfläche der ersten Elektrode 5 an der Oberfläche 1 des Halbleiterbauelementes völlig überdeckt und rechts an die zugewandte Seite der Vertiefung 4 angrenzt. Das erste Elektrodengebiet 5 verjüngt sich nach unten und grenzt an die Trägerschicht an. Rechts neben dem ersten Elektrodengebiet 5 schließt sich ein Kanalgebiet 9 an, welches teilweise an die beiden Seiten und die Unterseite der Vertiefung

4 angrenzt. Das Kanalgebiet verbreitert sich nach unten

und grenzt an die Trägerschicht ел. Rechts an das Kanalgebiet 9 schließt ein Substratgebiet 11 an. Dieses grenzt teilweise an die nächstliegende Seite der

_₁₃_ 22Д827

Vertiefung 4-, an die Oberfläche 1 des Halbleitermateriales und unten an die Trägerschicht 13 an. Rechts neben dem Substratgebiet 11 anschließend ist ein zweites Elektrodengebiet 10 angeordnet, welches sich unter der als Anode wirkenden zweiten Elektrode 7 befindet und die gesamte Kontaktfläche der zweiten Elektrode 7 an der Halbleiteroberfläche 1 völlig überdeckt und nach unten verjüngend an die Trägerschicht 13 unten angrenzt· Nachstehend wird die Funktion des in Pig· 2 dargestellten steuerbaren Halbleiterbauelementes näher beschrieben. In Rückwärtsrichtung ist die zv/ei te Elektrode 7 negativ gegen die erste Elektrode 5 mit einer Spannung beaufschlagt. Die pn- Übergänge zwischen dem ersten Elektrodengebiet 8 und Kanalge— biet 9 sowie zwischen dem bubstratgebiet 11 und dem zweiten Elektrodengebiet 10 sind gesperrt« Der pn-übergang zwischen dem Kanalgebiet 9 und dem Substratgebiet 11 ist geöffnet« Die Ausdehnung der Raumladungsschicht des pn-Überganges zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 über die Unterseite der Vertiefung 4- hinaus in Richtung Substr_atgebiet 11 wird von der Vertiefung 4 behindert, so daß eine Vereinigung der Raumladungsschichten der pn-Übergänge zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 sowie zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 bis zu hohen Spannungen, die den "punch-throught"-Durchbruch erzeugen würden und damit außerhalb des normalen Betriebsspannungsbereiches liegen, hinausgeschoben wird. Die Breite des Substratgebietes 11 und die Dotandenkonzentration (Größenordnung 10 ^ cm"^) ist so ausgelegt, daß die für die Vereinigung der Raumladungsschicht des gesperrten pn-Uberganges zwischen Substratgebiet 11 und zweitem Elektrodengebiet 10 erforderliche Spannung an diejenige angenähert wird, die für die Vereinigung der Raumladungsschichten der pn-Ubergänge zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 und zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 erforderlich wäre. Zugleich wird damit der im Vergleich zum Massivhalbleiter, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, geringeren Minoritätsträgerlebensdauer in dünnen Halbleiterschichten, wie in Pig· 2 dargestellt,

- 22Д827

Rechnung getragen.

In RUc]Otärtsrichtung fließt dementsprechend nur ein geringer Sperrstrom (unterhalt der Durchbruchspannung)· Der Einfluß einer anliegenden Spannung an der Steuerelektrode ist, wie bereits bei Fig. 1 beschrieben, in Rückwärtsrichtung für die Punktionsweise unbedeutend·

In Vorwärtsrichtung ist die als Anode wirkende zweite Elektrode 7 gegenüber der ersten Elektrode 5 positiv. Die pn-Übergänge zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 sowie zwischen Substratgebiet 11 und zweitem Elektrodengebiet 10 sind geöffnet, der pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 uod Substratgebiet 11 ist gesperrt und nimmt den Hauptanteil der anliegenden Spannung auf* Die Spannung an der Steuerelektrode sei zunächst so hoch, daß noch kein Inversionskanal entsteht·

Die Ausbildung der Raumladungsschicht des gesperrten pn-Überganges zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet in Richtung des ersten Elektrodengebietes 8 wird an der Vertiefung 4· behindert, so daß sie sich nicht wesentlich über deren tiefste Stelle hinaus ausdehnt· Damit wird der ungesteuerte Durchbruch ("punch-throught") in Vorwärt richtung behindert.

Wenn an die Steuerelektrode 6 eine gegen die. erste Elek-· trode 5 positive Spannung angelegt wird, so wird, wie bereits bei Pig. 1 beschrieben, unter der Vertiefung ein Inversionskanal gebildet, der durch Zufuhr von Ladungsträgern in das Substratgebiet 11 den Übergang des Halbleiterbauelementes in einen niederohmigen Zustand (Zünden) auslöst·

Der gleiche, wie bei Pig, 1 beschriebene Vorteil, daß das Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode aus löschbar ist, kann dadurch erreicht werden, daß zwischen der ersten Elektrode 5 und dem Kanalgebiet 9 eine nicht dargestellte elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird und/oder die Einsenkung der Vertiefung 4 in das

-15- 224827

Halbleitermaterial mehr als ein Drittel der Gesamteticke einnimmt und die Spannung an der Steuerelektrode б negativ wird.

Die Anwendung dünner Halbleiterschichten auf einer isolierenden Trägerschicht 13 bietet u. a. die Möglichkeit, die Isolation zu verbessern, Kapazität herabzusetzen und die Sperrströme zu verkleinern, sowie die Ströme auch mittels Licht, durch eine transparente isolierende Trägerschicht 13 hindurch, zu beeinflussen oder zu steuern.

In Fig. 3 ist ein steuerbares Halbleiterbauelement mit symmetrischem Aufbau dargestellt.

Der Aufbau der ersten Elektrode 5» eier Vertiefung 4 mit der Steuerelektrode 6 sowie der Schichtaufbau einschließlich der Trägerschicht 13 ist mit dem entsprechenden Aufbau in Fig. 1 identisch.

Die Besonderheit dieser Ausführungsvariante ist darin zu sehen, daß links neben der zweiten Elektrode 7» d· b., zwischen der Steuerelektrode 6 und der zweiten Elektrode 7 eine zusätzliche V-förmige Vertiefung 14· mit einer zusätzlichen Steuerelektrode 15, die den gleichen Aufbau, wie die eigentliche Vertiefung 4 mit der Steuerelektrode б aufweist, eingebracht ist. Der Schichtaufbau unter der zusätzlichen Vertiefung 14 und der zweiten Elektrode 7 ist mit dem Schichtaufbau unter der ersten Elektrode 5 und der Vertiefung 4 spiegelbildlich identisch, d. h., unter der zweiten Elektrode 7 befindet sich ein ^-dotiertes spiegelbildlich angeordnetes erstes Elektrodengebiet 17, welches an einem Teil der rechten Seite der zusätzlichen Vertiefung 14 anstößt. Dabei überdeckt dieses Gebiet 17 aie zweite Elektrode 7 nicht ganz, sondern läßt noch einen Bereich frei, in dem ein p-dotiertes spiegelbildlich angeordnetes Kanalgebiet 16 an oie zweite Elektrode 7 anstößt. Von der zweiten Elektrode 7 aus verläuft das spiegelbildlich angeordnete Kanalgebiet 16 wabenförmig unter aem spiegelbildlich angeordneten ersten Elektrodengebiet 17i umschließt die Spitze der

22Λ82 7

zusätzlichen V-iörmigen Vertiefung 14- und endet links der zusätzlichen Vertiefung 14- in Höhe des ersten Elektrodengebietes 8 und des spiegelbildlich dazu angeordneten Elektrodengebietes 17·

Das Substratgebiet weist einen Bereich 12 höherer Dotandenkonzentration in aer Größenordnung von größer als 1Ср9 cm""3 auf, der anstoßend an aer rechten Seite der Vertiefung 4- bis zur linken Seite der zusätzlichen Vertiefung 14- unter der Oberflache 1 des Halbleitermateriales in einer Höhe, die gleich aer Hohe des ersten Elektrodengebietes 8 ist, verläuft.

Die Funktionsweise des in Fig. 3 dargestellten steuerbaren Halbleiterbauelementes entspricht der Funktionsweise zweier antiparallel geschalteter Halbleiterbauelemente gemäß Fig. 1.

Die Funktion des ersten Elektrodengebietes 8, wie bei Fig. 1 beschrieben, wird bei Fig. 3 je nach Poluhg aer Spannung zwischen erster iölektrode 5 und zweiter Elektrode 7 entweder von dem ersten Elektroaengebiet 8 oder dem spiegelbildlich dazu angeordneten Slektrodengebiet 17 übernommen. Ist beispielsweise die zweite Elektrode positiv gegen die erste Elektrode 5» so ist das Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode б aus steuerbar und im gezündeten Zustand fließt der Strom über die zweite Elektrode 7i das spiegelbildlich angeordnete erste Elektrodengebiet 17> das Substratgebiet 11 und den Bereich 12 des Substratgebietes 11, den Inversionskanal unter der Vertiefung 4 und über das erste Elektrodengebiet 8 zur ersten Elektrode 5·

Bei umgekehrter Polung fließt der Strom in analoger V/eise. Somit ist die Steuerung des Stromes in beiden Richtungen jeweils über die Steuerelektrode б oder die zusätzliche Steuerelektrode 15 möglich. Wenn somit beide Steuerelektroden б und 15 eine ausreichende, gleich große positive Spannung erhalten, z. B. durch eine elektrisch leitende Verbindung beider Elektroden 6 und 15 miteinander und/oder Beaufschlagen mit Wechselspannung, ist die Zündun;: und Löschung in beiden Stromrichtungen möglich und die Kennlinie symmetrisch.

Claims

-17- 22 4 82 7

Erfindungsanspruch

1. Steuerbares Halbleiterbauelement mit einer durch eine Trägerschicht an der Unterseite begrenzten Halbleiterschicht, in der sich wenigstens eine V- oder U-förmige Vertiefung befindet, die mit einer Isolierschicht überzogen ist, auf der eine mit einer Elektrode versehene elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist und eine Halbleiterschicht an der Oberseite eine diese überdeckende, teilweise mit Fenstern versehene Isolierschicht aufweist, in der vorzugsweise metallisierte oder aus Polysilizium bestehende, mit Elektroden versehene elektrisch leitende Bereiche angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß in einem seitlichen Abstand zu einer Seite der Vertiefung (4) eine mit einer ersten Elektrode (5) versehene elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist, unter der ein erstes Elektrodengebiet (8), welches sich bis zu einer diesem zugewandten Seite der Vertiefung (4) im Halbleitermaterial erstreckt und vorzugsweise ^-dotiert ist, daß in einem seitlichen Abstand zu einer anderen Seite der Vertiefung (4) eine mit einer zweiten Elektrode (7) versehene elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist, unter der sich im Halbleitermaterial ein zweites, vorzugsweise p⁺-dotiertes, Elektrodengebiet (10) befindet, an das sich-ein vorzugsweise η-dotiertes Substratgebiet (11) anschließt, welches sich mindestens bis zu einer diesem zugewandten Seite der Vertiefung (4) im Halbleitermaterial erstreckt und daß unter der Vertiefung (4) ein an das erste Elektrodengebiet (8), an das Substratgebiet (11) und an die Vertiefung (4) angrenzendes, vorzugsweise p-dotiertes Kanalgebiet (9) eingebracht ist.

-18- 22 A 82 7
2. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der ersten Elektrode (5), dem ersten Elektrodengebiet (8) und dem Kanalgebiet (9) eine elektrisch leitende Verbindung besteht und/oder das Halbleitermaterial, vorzugsweise in einer Größenordnung von 0,5 bis 5 /um, auf einer isolierenden Trägerschicht (13) aufgebracht ist.
3. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß das Substratgebiet (11) einen Bereich mit höherer Dotandenkonzentration (12), als das Substratgebiet (11) an sich, enthält, welcher sich.von der Seite der Vertiefung (4), an die das Substratgebiet (11) angrenzt, unter der Oberfläche (1) des Halbleitermateriales zu dem zweiten Elektrodengebiet (10) hin erstreckt, ohne dieses zu berühren.
4. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 bis $ gekennzeichnet dadurch, daß der Schichtaufbau unter der zweiten Elektrode (7) mit dem Schichtaufbau unter der ersten Elektrode (5) spiegelbildlich identisch ist und daß zwischen der Vertiefung (4) und der zweiten Elektrode (7) eine zusätzliche V- oder U-förmige Vertiefung (14) mit Isolierschicht O) und Elektrode (15) angeordnet ist und der Schichtaufbau unter der zusätzlichen Vertiefung (14) mit dem Schichtaufbau unter der Vertiefung (4) spiegelbildlich identisch ist.
5. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, daß die p- und n-Dotierungen vertauscht sind.

Rierzu..jJLSeiien Zeichnungen