DE4431294A1

DE4431294A1 - Abschaltbarer Thyristor für hohe Blockierspannungen und kleiner Bauelementdicke

Info

Publication number: DE4431294A1
Application number: DE4431294A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dr Bauer; Simon Eicher
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Semiconductors Ltd
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 1996-03-07
Also published as: CN1040266C; JP4001249B2; US5710445A; EP0700095A2; EP0700095A3; EP0700095B1; JPH0883900A; DE59510602D1; CN1128904A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungs halbleiter. Sie geht aus von einem abschaltbaren Thyri stor (Gate Turn Off Thyristor GTO) nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Ein solcher GTO ist aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt. Es handelt sich dabei um einen klassischen GTO, wie er beispielsweise in der Europäischen Patentschrift EP-B1-0 159 797 beschrieben wird. Ein derartiger aus schaltbarer Thyristor umfaßt zwischen einer anodenseiti gen und einer kathodenseitigen Hauptfläche von der Anode her einen p+ dotierten Anodenemitter, eine n-Basis, eine p-Basis und n+ dotierte Kathodengebiete. Die Kathodenge biete werden von der Kathode kontaktiert, und die p-Basis von einer Gateelektrode, mittels welcher das Bauelement ein- und ausgeschaltet werden kann.

Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der GTOs können im Anodenemitter Anodenkurzschlüsse vorgesehen werden. Diese Maßnahme wird beispielsweise in der Euro päischen Patentanmeldung EP-A1-0 327 901 beschrieben.

Solche GTOs sind heute zentraler Bestandteil moderner Um richterantriebe im Hochleistungsbereich. Es hat sich weitgehend ein Stand der Technik der Bauelement sowie ih rer Beschaltung und Ansteuerung eingestellt. Die diversen Anbieter setzen hierbei alle auf das gleiche fundamentale Konzept eines GTOs: Bei maximal erlaubter Blockierspan nung reicht die Verarmungszone etwa 100 µm bis 200 µm vor der Anode in den quasineutralen, nicht verarmten Bereich der n-Basis. Diese Struktur wird allgemein mit dem engli schen Fachwort "non-punchtrough" Konzept (NPT-Konzept, NPT GTO) bezeichnet. In der Praxis werden deshalb für Bauelemente mit 4.5 kV Blockierspannung Substrate mit ei ner Dicke von etwa 800 µm benötigt. Diese Dicke erlaubt mit nur geringen Unterschieden bei verschiedenen Anbie tern eine maximale Schaltfrequenz von 300 Hz bis 500 Hz. Die absolute Höhe dieser Frequenz ist durch die anfallen den Schaltverluste und die physikalischen Grenzen der Wärmeabfuhr durch Kühlung gegeben.

Bei den Anwendern geht der Trend aus verschiedenen Grün den jedoch in Richtung höherer Schaltfrequenzen. Ein Grund liegt in der Forderung nach einer Verminderung der Oberwellen in den Spannungsversorgungsnetzen. Das NPT-Konzept ist aber bereits weitgehend ausgereizt, so daß signifikante Verbesserungen bezüglich der erzielbaren Schaltfrequenzen kaum mehr zu erwarten sind.

Wird jedoch eine anodenseitige Stopschicht eingeführt, so ist es möglich, ein Substrat mit niedriger Grunddotierung zu benutzen. Bei einer solchen Struktur wird die Ladung während des Abschaltens vom Feld aus dem Bauelement ge drückt. Im Gegensatz zum Non-Punchthrough Konzept (NPT) spricht man deshalb hier von einem Punchthrough Konzept (PT). Dies wird für eine SiTh (Static Induction Thyri stor) im Amerikanischen Patent US, 5,001,535 beschrieben. Führte man bei einem solchen PT Konzept aber noch die an sonsten vorteilhaften Anodenkurzschlüsse ein, so werden diese aufgrund der erhöhten Dotierung der Stopschicht ex trem effizient. Ein niedriger Durchlaß und sicheres Zün den sind dann nur möglich, wenn der Anteil der kurzge schlossenen Anodenfläche im Bereich von 1% bis 3% liegt. Experimente haben gezeigt, daß dann aber die Abschalt verluste auf ein nicht mehr akzeptables Niveau steigen. Von einer Erhöhung der Schaltfrequenz kann also auch hier keine Rede sein. Dies ist auch der Grund, weshalb für GTOs das Punchthrough Konzept von keinem Anbieter zur Se rienreife entwickelt worden ist.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen GTO an zugeben, bei welchem die Schaltfrequenz erhöht werden kann ohne daß die Schaltverluste ansteigen und dessen Substratdicke verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem GTO der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, daß eine Kombination ei nes transparenten, mit Anodenkurzschlussgebieten durch setzten Anodenemitters mit einer Stopschicht vorgesehen wird.

Ein transparenter Emitter wird schon für Bauelemente ge ringer Leistung wie Solarzellen, Dioden oder Transistoren eingesetzt (siehe z. B. IEEE Transactions on Electron De vices, Vol. ED-26, No. 6, Juni 1979, Seiten 959-965). Un ter einem transparenten Anodenemitter versteht man kurz gesagt einen anodenseitigen Emitter mit vergleichsweise schwacher Injektion. Dafür können jedoch hohe Anteile des kathodenseitigen Elektronenstroms rekombinationsfrei, also ohne Auslösung eines injizierten Loches extrahiert werden.

Entgegen der allgemeinen Fachmeinung, die für einen PT GTO mit transparentem Emitter infolge der Transparenz eine schlechte Zündempfindlichkeit vermutete, konnte im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch intensive Simula tionen und Versuche nachgewiesen werden, daß die Kombi nation von Anodenkurzschlüssen im transparenten Emitter mit der Stopschicht zu überraschend guten Ergebnissen führt. Entgegen der ursprünglichen Annahme stellte sich heraus, daß auch ein transparenter Emitter im Bereich kleiner Stromdichten beim Zünden eine annähernd gleich hohe Injektionseffizienz bietet wie ein konventioneller Emitter.

Der Grund hierfür liegt in der Zündbedingung des GTOs: Aus der Theorie der Thyristoren ist bekannt, daß die Zündbedingung eines regenerativen Bauelementes im wesent lichen durch die Summe der Stromverstärkungen der parti ellen Teiltransistoren gegeben ist. Wegen der Abhängig keit der Stromverstärkungen von der Anodenstromdichte sind diese nicht konstant. Für einen konventionellen, kommerziell erhältlichen NPT GTO zeigt die Summe der Stromverstärkungen in Abhängigkeit der Anodenstromdichte einen annähernd konstanten Verlauf mit einer ausgeprägten Zündschwelle, ab welcher die Summe steil ansteigt. Diese Zündschwelle tritt z. B. bei ca. 0.07 A/cm² auf. Ein GTO mit transparentem Anodenemitter zeigt dagegen ein anderes Verhalten: Die Summe der Stromverstärkungen steigt unge fähr linear mit zunehmender Anodenstromdichte an. Eine Zündschwelle ist nicht auszumachen. Dadurch ergeben sich beim Einschalten Probleme, denn nur eine ausgeprägte Zündschwelle gewährleistet homogenes Einschalten über den gesamten Querschnitt.

Erst durch das Einfügen von Emitterkurzschlüssen bildet sich wieder eine ausgeprägte zündschwelle aus. Dies konnte durch umfangreiche Simulationen und Versuche nach gewiesen werden.

Somit erreicht man erst durch die erfindungsgemäße Kom bination von transparentem, mit Anodenkurzschlüssen durchsetztem Emitter mit einer Stopschicht das gewünschte Verhalten.

Im Gegensatz zu Anodenkurzschlüssen nach dem Stand der Technik, mittels welchen die Effizienz des Emitters ein gestellt wird, dienen die Anodenkurzschlüsse nach der Er findung der Definition einer ausgeprägten Zündschwelle; die Effizienz des Emitters wird hingegen durch seine Transparenz gesteuert.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Stopschicht eine Tiefe von ca. 20 µm bis 40 µm und eine Dotierungs-Randkonzentration von ca. 7_*10¹⁴ cm^-3 aufweist. Weiter kann die Stopschicht entweder durch Eindiffusion oder Epitaxie hergestellt werden.

Von besonderem Vorteil ist eine epitaktisch gewachsene Stopschicht mit einem zweistufigen Dotierungsprofil. Ein Bereich mit niedrigerer Dotierungskonzentration wird di rekt an den Anodenemitter angrenzend vorgesehen. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Anodenkurzschluß einen sehr niedrigen Querleitwert in der Stop schicht erfährt.

Die Anodenkurzschlüsse werden vorzugsweise mit einem re lativ kleinen Querschnitt von ca. 5 bis 10 µm ausgeführt. Dadurch erhält man einen optimalen Zündstrom von ca. 300 mA.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den ent sprechenden abhängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Thy ristors im Schnitt.

Fig. 2a-c Drei Beispiele von Dotierungsprofilen der Stop schicht.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen GTOs im Schnitt. Allgemein sind p-dotierte Gebiete mit von oben rechts nach unten links verlaufenden Doppelli nien und n-dotierte Gebiete mit von oben links nach unten rechts verlaufenden, einfachen Linien schraffiert. Die Dichte der Schraffierung ist abhängig von der Dotierungs konzentration, wobei höher dotierte Gebiete enger schraf fiert sind. Metallisierungen sind mit von oben rechts nach unten links dicht verlaufenden Linien schraffiert.

Ein erfindungsgemäßer GTO umfaßt zwischen einer ersten Hauptfläche 1 und einer zweiten Hauptfläche 2 ein Anzahl von unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten 6-9. Von der zweiten Hauptfläche 2 her gesehen sind dies ein p+ dotierten Anodenemitter 6, eine n dotierte n-Basis 7, eine p dotierte p-Basis 8 und ein n+ dotierter Kathoden emitter 9. Der Anodenemitter 6 wird von einer Anodenme tallisierung, welche eine Anodenelektrode 3 bildet, kon taktiert; der Kathodenemitter 9 von einer entsprechenden Kathodenelektrode 4. Der Kathodenemitter 9 ist in die p-Basis 8 eingelassen, so daß die p-Basis 8 teilweise an die erste Hauptfläche 1 tritt. Dort wird die p-Basis 8 von einer Gateelektrode 5, gebildet durch eine entspre chende Metallisierung, kontaktiert. Mittels Anlegen einer Steuerspannung an die Gateelektrode 5 kann der Stromfluß durch den GTO ein- und ausgeschaltet werden. Dieser Me chanismus ist hinlänglich bekannt und bedarf keiner wei teren Erläuterung.

Nach der Erfindung ist der Anodenemitter 6 transparent, das heißt er weist eine vergleichsweise schwache Injek tion auf, so daß hohe Anteile des von der Kathode kom menden Elektronenstroms rekombinationslos und damit ohne Auslösung eines injizierten Loches extrahiert werden kann. Dies erreicht man dadurch, daß der Anodenemitter 6 vergleichsweise schwach dotiert und dünn ist. Im Rahmen der Erfindung wird beispielsweise eine Tiefe von ca. 1.2 µm und eine Dotierung von 10¹⁸ cm^-3 bevorzugt.

Diesem transparenten Anodenemitter 6 ist eine Stopschicht 11 vorgelagert. Die Stopschicht 11 ist stärker dotiert als die n-Basis 7, so daß das anodenseitige Feld in der Stopschicht 11 begrenzt wird. Vorzugsweise weist die Stopschicht 11 eine Tiefe von ca. 20 µm bis 40 µm und eine Dotierungsrandkonzentration von ca. 7_*10¹⁴ cm^-3 auf.

Der transparente Emitter ist weiterhin durchsetzt mit An odenkurzschlüssen 10. Diese sind noch höher dotiert als die Stopschicht 11. Die Anodenkurzschlüsse 10 sorgen da für, daß sich im Bauelement eine ausgeprägte Zünd schwelle einstellt.

Die Kombination von transparentem Emitter, Anodenkurz schlüssen und Stopschicht ermöglicht also die Realisie rung der geforderten Eigenschaften wie höhere Schaltfre quenz, dünneres Substrat und keine Erhöhung der Schalt verluste.

Damit der Zündstrom nicht allzu groß wird, weisen die Anodenkurzschlüsse 10 nach Erfindung nur einen relativ geringen Durchmesser auf. Bevorzugt werden Werte zwischen 5 µm und 10 µm. Die Stopschicht 11 kann auf zwei Arten erzeugt werden: entweder durch Diffusion oder durch Epi taxie. Epitaktisch hergestellte Stopschichten bieten einen weiteren Vorteil: Bei diffundierten Stopschichten weist das Dotierungsprofil angenähert eine Guass′sche Verteilung auf (siehe Fig. 2a). Bei epitaktisch gewach senen Stopschichten ist die Dotierung homogen über die Schichtdicke. Sie kann deshalb viel präziser als ein ein diffundiertes Profil eingestellt werden (siehe Fig. 2b und 2c). Dadurch kann die Tiefe der Stopschicht reduziert und die Substratdicke verkleinert werden. Denn aufgrund der homogenen Dotierung kann die Ladung effektiver zur Begrenzung des anodenseitigen elektrischen Feldes einge setzt werden.

Es wird aber auch möglich, eine Stopschicht mit mehrstu figem Dotierungsprofil herzustellen. Insbesondere wenn die an den Anodenemitter 6 grenzende Stufe 13 schwächer dotiert ist als die davon weiter entfernte Stufe 12, kön nen die Anodenkurzschlüsse 10 mit größeren Durchmessern versehen werden. Dadurch sind sie einfacher herzustellen. Es ist aber dennoch gewährleistet, daß die Anodenkurz schlüsse in der direkt anschließenden, niedriger dotier ten Stufe 13 einen hinreichend niedrigen Querleitwert in der Stopschicht 11 erfährt. Der Feldabbau in der Stop schicht 11 wird durch die höher dotierte Stufe 12 über nommen.

Die höher dotierte Stufe 12 weist vorzugsweise eine Do tierung von ca. 10¹⁵ cm^-3 und eine Tiefe von ca. 10 µm auf. Für die Stufe 13 wurde eine Dotierung von weniger als 10¹⁴ cm^-3 und eine Tiefe von ca. 10 µm gewählt.

Diese mehrstufige Stopschicht 11 bietet aber noch einen weiteren Vorteil: Die höher dotierte Stufe 12 dämpft kleine Potentialschwankungen, die durch die Existenz der Anodenkurzschlüsse 10 bedingt sind und eine signifikante Modulation des Plasmas im Bereich der Kurzschlüsse verur sachen. Ein weiterer Vorteil dieser mehrstufigen Struktur besteht darin, daß die Dotierung von 10¹⁵ cm^-3 der Stufe 12 zusammen mit der Tiefe von ca. 10 µm sicherstellt, daß auch sehr hohe elektrische Felder abgebaut werden können. Dies wäre bei einem GTO nach dem Stand der Tech nik nur durch eine Erhöhung der Ladung in der Stopschicht und den damit verbundenen Nachteilen für die Zündeigen schaften bzw. den Durchlaß möglich. Ohne Anpassung der Stopschicht wie beschrieben würde beim Anlegen der maxi malen Blockierspannung oder sogar bereits früher der "punchthrough" drohen.

Insgesamt kann gesagt werden, daß die erfindungsgemäße Kombination von Stopschicht, Anodenkurzschlüssen und transparentem Emitter ermöglicht einen GTO herzustellen, der bei höheren Schaltfrequenzen betrieben werden kann, ein dünneres Substrat aufweist und dessen Durchlaßverluste dennoch nicht ansteigen. Durch Variation der Tiefe der Stopschicht und deren Dotierung können wie erläutert noch weitere Vorteile erreicht werden.

Bezugszeichenliste

1 erste Hauptfläche
2 zweite Hauptfläche
3 Anodenelektrode
4 Kathodenelektrode
5 Gateelektrode
6 Anodenemitter
7 n-Basis
8 p-Basis
9 Kathodenemitter
10 Anodenkurzschlüsse
11 Stopschicht
12 erste Stufe
13 zweite Stufe
I Dotierungsdichte
d Abstand von der zweiten Hauptfläche

Claims

1. Abschaltbarer Thyristor umfassend:

a) zwischen einer ersten Hauptfläche (1) und einer zweiten Hauptfläche (2) eine Anzahl von unter schiedlich dotierten Halbleiterschichten (6-9);
b) auf der zweiten Hauptfläche (2) eine Anoden elektrode (3) sowie auf der ersten Hauptfläche (1) eine Kathodenelektrode (4) und eine Gate elektrode (5); wobei
c) die Halbleiterschichten (6-9) von der zweiten Hauptfläche (2) her gesehen einen p+ dotierten Anodenemitter (6), eine n dotierte n-Basis (7) und eine p dotierte p-Basis (8) umfassen, wobei der Anodenemitter (6) mit der Anodenelektrode (3) in elektrischem Kontakt und die p-Basis (8) mit der Gateelektrode (5) in elektrischem Kon takt steht und in der p-Basis (8) n+ dotierte Kathodenemittergebiete (9) eingelassen sind, welche mit der Kathodenelektrode (4) in elek trischem Kontakt stehen; dadurch gekennzeichnet, daß
d) der Anodenemitter (6) als transparenter Emitter ausgeführt ist,
e) der Anodenemitter (6) mit n+ dotierten Anodenkurzschlußgebieten (10) durchsetzt ist und
f) zwischen der n-Basis (7) und dem Anodenemitter (6) eine n dotierte Stopschicht (11) vorgesehen ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopschicht (11) eindiffundiert ist und insbesondere eine Tiefe von ca. 20 µm bis 40 µm und eine Randkonzentration von ca. 7_*10¹⁴ cm^-3 aufweist.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopschicht (11) epitaktisch erzeugt ist und insbesondere eine Tiefe von ca. 20 µm bis 40 µm aufweist.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopschicht (11) ein homogenes Dotierungs profil insbesondere mit einer Dotierung von ca. 3_*10¹⁴ cm^-3 aufweist.

5. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopschicht (11) ein mindestens zweistufi ges Dotierungsprofil aufweist, wobei eine erste, von der zweiten Hauptfläche weiter entfernte Stufe (12) stärker dotiert ist und insbesondere eine Dotierung von ca. 10¹⁵ cm^-3 und eine Tiefe von ca. 10 µm auf weist und eine zweite, direkt an die zweite Haupt fläche (2) grenzende Stufe (13) schwächer dotiert ist und insbesondere eine Dotierung von weniger als ca. 10¹⁴ cm^-3 und eine Tiefe von ca. 10 µm aufweist.

6. Thyristor nach einen der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der transparente Emitter (6) eine Tiefe von ca. 1.2 µm und eine Dotierung von ca. 10¹⁸ cm^-3 aufweist.

7. Thyristor nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Anodenkurzschlußgebiete (10) einen geringen Durchmesser von insbeson dere 5 µm bis 10 µm aufweisen.