ТИРИСТОР С ДВУХСТОРОННИМ УПРАВЛЕНИЕМ Российский патент 2002 года по МПК H01L29/747 

Изобретение относится к силовым полупроводниковым элементам и касается тиристора с двухсторонним управлением согласно ограничительной части первого пункта формулы изобретения.

Родовой тиристор описан, например, в DE 4439012 Al. Речь идет при этом о тиристоре с двухсторонним управлением, у которого в полупроводниковую подложку интегрированы две встречно-параллельно включенные тиристорные структуры. Тиристорные структуры развязаны каждая на поверхностях элементов разделительной областью, преимущественно с уменьшенным временем жизни носителя. Разделительная область необходима между тиристорными структурами главным образом по двум причинам: во-первых, при отпирании одной тиристорной структуры не должны возникать паразитные цепи тока в направлении другой тиристорной структуры, а, во-вторых, при коммутации не должно возникать взаимодействия между обеими тиристорными структурами. Решение согласно уровню техники во многих случаях способно удовлетворить, однако из-за нежелательной миграции носителей зарядов из одной, уже отпертой тиристорной структуры, к другой, еще не отпертой, запирающая тиристорная структура может быть разрушена за счет локального неконтролируемого отпирания.

Задачей изобретения является поэтому создание тиристора с двухсторонним управлением, отличающегося улучшенным развязыванием между обеими тиристорными структурами. В частности, запирающая структура не должна неконтролируемо отпираться за счет нежелательной миграции носителей зарядов. Эта задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения.

Сущность изобретения заключается в том, что степень закорачивания катодной области возрастает в направлении разделительной области. Это может быть достигнуто за счет того, что плотность закорачивающих областей на единицу площади в направлении разделительной области стремится к максимальному значению. Особенно оптимальным является, кроме того, использование прямолинейной сплошной закорачивающей области, проходящей вдоль разделительной области.

В предпочтительном примере выполнения дальнейшее улучшение развязывания обеих тиристорных структур достигается за счет, в основном, подковообразной области, расположенной в зоне между центральными областями управляющих электродов и соседней анодной областью. Подковообразная область также способствует тому, что попавшие в цепь управляющий электрод - катод носители зарядов не могут следовать за паразитной цепью тока между областью управляющего электрода и анодной областью другой тиристорной структуры той же главной поверхности. Подковообразную область получают предпочтительно посредством травления или маскированного в этой зоне внедрения легирующих примесей.

Дальнейшее улучшение разделения между тиристорными структурами тиристора согласно изобретению достигается также за счет того, что центральная область управляющего электрода горизонтально входит в соответствующую катодную область и ориентирована по соответствующему анодному эмиттеру. Кроме того, разделительная область и возможная усиливающая структура с пальцами управляющего электрода должны образовывать между собой угол, который больше нуля и составляет, в частности, 45^o. Диаметрально проходящая разделительная область должна иметь ширину, равную примерно 10 диффузионным длинам неосновных носителей зарядов.

Другие предпочтительные формы выполнения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью чертежей, на которых изображают:
- фиг.1 - вид сверху на тиристор согласно изобретению;
- фиг.2 - вид снизу на тиристор согласно изобретению;
- фиг.3 - разрез тиристора согласно изобретению по линии А-А из фиг.1;
- фиг.4 - разрез тиристора согласно изобретению по линии В-В из фиг.1.

На фиг.1 изображен вид сверху на тиристор 1 согласно изобретению. В полупроводниковом корпусе между первой верхней главной поверхностью 2 и второй нижней главной поверхностью 3 (фиг.2) расположены две тиристорные структуры. Сверху видны анодная область 4 первой тиристорной структуры, катодная область 12 второй тиристорной структуры, центральная область 13 управляющего электрода второй тиристорной структуры, краевая замыкающая область 18 и усиливающая структура 15 с пальцами управляющего электрода. Между тиристорными структурами предусмотрена разделительная область 14. Эта разделительная область 14 выполнена в окружающей центральный управляющий электрод 13 зоне подковообразной и особенно высокоомной. В зоне второй катодной области 12 предусмотрены закорачивающие области 16 (видны только в разрезе). Во избежание нежелательной миграции носителей зарядов из одной, уже отпертой тиристорной структуры к другой, еще не отпертой - это могло бы вызвать неконтролируемое отпирание еще не отпертой тиристорной структуры - плотность закорачивающих областей 16 возрастает в направлении разделительной области 14. Она достигает на границе с разделительной областью 14 максимального значения, образуемого предпочтительно за счет прямолинейной закорачивающей области 17, проходящей вдоль разделительной области 14.

На фиг.2 изображен вид снизу на тиристор. На второй главной поверхности 3 видны анодная область 9 второй тиристорной структуры, катодная область 7 первой тиристорной структуры, центральная область 8 управляющего электрода первой тиристорной структуры, краевая замыкающая область 18 и усиливающая структура 15 с пальцами управляющего электрода. Между тиристорными структурами также предусмотрена разделительная область 14. Эта разделительная область 14 выполнена подковообразной вокруг центрального управляющего электрода 8 и особенно высокоомной. В катодной области 7 также предусмотрены закорачивающие области 16 (видны только в разрезе).

Во избежание нежелательной миграции носителей зарядов из одной, уже отпертой, тиристорной структуры к другой, еще не отпертой, - это могло бы вызвать неконтролируемое отпирание еще не отпертой тиристорной структуры - плотность закорачивающих областей 16 возрастает также здесь в направлении разделительной области 14. Она достигает на границе с разделительной областью 14 максимального значения, также образуемого предпочтительно за счет прямолинейной закорачивающей области 17, проходящей вдоль разделительной области 14. Разделительная область 14 проходит диаметрально по обеим главным поверхностям 2, 3 и имеет ширину, равную примерно 10 диффузионным длинам неосновных носителей зарядов.

На фиг.1 и 2 изображена, кроме того, усиливающая структура 15 с пальцами управляющего электрода, которая, в противоположность приведенному уровню техники, не содержит части, проходящей вдоль разделительной области 14, а разделительная область 14 и пальцы 15 усиливающей структуры образуют между собой угол, который по меньшей мере больше нуля и составляет преимущественно 45^o. За счет этого пальцевая структура 15 обеспечивает, с одной стороны, эффективную реакцию отпирания, а с другой стороны, препятствует нежелательному отпиранию в зоне между обеими тиристорными структурами.

На фиг.3 изображен фрагмент тиристора согласно изобретению в разрезе по линиям А-А. Хорошо видно, что на обеих главных поверхностях 2, 3 вдоль разделительной области 14 расположена закорачивающая область 17, которая по технологическим причинам может, как показано, слегка отстоять от соседней катодной области 12 или 7. Поверхностная плотность, т.е. число закорачивающих областей 16 на единицу площади, возрастает в пределах соответствующей катодной области 7 или 12 в направлении сплошной прямолинейной закорачивающей области 17. Закорачивающие области 16, 17 закорачивают первую 6 и вторую 11 р-базы через соответственно первую 7 и вторую 12 катодные области посредством закрывающей катодные области металлизации (не показана). Повышенная плотность закорачивающих областей 16 в направлении разделительной области и, в частности, также сплошная прямолинейная закорачивающая область 17 обеспечивают достаточно быстрое устранение носителей зарядов при выключении и возможность избежать неконтролируемого, приводящего к разрушению отпирания. Поэтому возможные носители заряда стекают не через катодную область, а через закорачивающие области. Благодаря этому не происходит неконтролируемое отпирание.

р-Базы 6, 11 выполнены в остальном в виде сплошных слоев, в которые диффундированы более высоколегированные области 4, 9 анодных эмиттеров. Разделительные области 14 образованы с обеих сторон проникающими на поверхность частями р-баз.

Из фиг. 1 и 2 видна, кроме того, подковообразная область 19 разделительной области 14, охватывающая центральные области 8, 13 управляющих электродов. Отверстие подковы обращено соответственно к первой или второй катодной области. Область 19 усиливает разделительное действие между обеими тиристорными структурами и препятствует тому, чтобы попавшие в цепь управляющий электрод - катод носители зарядов могли следовать за паразитной цепью тока между контактом затвора и анодной областью другой тиристорной структуры той же главной поверхности. Более высокое сопротивление может быть достигнуто посредством травления имеющегося профиля легирования или посредством селективной, маскированной в зоне области 19 имплантации подходящих легирующих примесей.

Форма центральных областей 8, 13 управляющих электродов продолговатая и направлена в катодные области 7, 12. Ближайший к соответствующей катодной области конец центральных областей 8, 13 управляющих электродов расположен точно над анодными областями 4, 9 той же тиристорной структуры. Эта точная юстировка также способствует улучшению развязывания обеих тиристорных структур и обеспечивает, в частности, воспроизводимые свойства элемента.

На фиг.4 изображен разрез по линии В-В из фиг.1. Хорошо видно, как между центральными областями 13, 8 управляющих электродов и соседними анодными областями 4, 9 на поверхность проникает р-база, образующая подковообразную разделительную область 19. Она выполнена особенно высокоомной за счет того, что в основном определяющее проводимость р-базы 6 или 11 дополнительное легирование 22, которое обычно выполнено по всей поверхности (фиг.3), в этой зоне отсутствует. Это может осуществляться посредством травления имеющегося профиля легирования или посредством селективной, маскированной в нужной зоне имплантации легированного акцепторной примесью слоя 22. На противоположном разделительной области 19 конце центральных областей 13, 8 управляющих электродов предусмотрены легированный донорной примесью вспомогательный катод 20 и легированная акцепторной примесью контактная область 21. К ним примыкает катодная область 12 с закорачивающими областями 16, плотность которых, как уже сказано, возрастает к центру элемента.

В целом, образуется двунаправленно проводящий тиристор, у которого развязывание между обеими тиристорными структурами резко улучшено и который, таким образом, может надежно работать в любой эксплуатационной ситуации.

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых элементов. В тиристоре с двухсторонним управлением запирающая структура не должна неконтролируемо отпираться за счет нежелательной миграции носителей зарядов. Это достигается за счет того, что степень закорачивания катодных областей возрастает в направлении разделительной области. В частности, это может быть достигнуто за счет того, что плотность закорачивающих областей на единицу площади стремится к максимальному значению в направлении разделительной области. Особенно оптимальным является использование прямолинейной сплошной закорачивающей области, проходящей вдоль разделительной области. Техническим результатом является улучшение развязывания между тиристорными структурами. 7 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Тиристор (1) с двухсторонним управлением, содержащий в полупроводниковом корпусе между первой главной поверхностью (2) и второй главной поверхностью (3) первую тиристорную структуру с первой анодной областью (4), первой n-базой (5), первой р-базой (6), первой катодной областью (7) и первой центральной областью (8) управляющего электрода и встречно-параллельно им вторую тиристорную структуру со второй анодной областью (9), второй n-базой (10), второй р-базой (11), второй катодной областью (12) и второй центральной областью (13) управляющего электрода, причем первая анодная область (4), вторая катодная область (12) и вторая область (13) управляющего электрода соответствуют первой главной поверхности (2), а вторая анодная область (9), первая катодная область (7) и первая область (8) управляющего электрода соответствуют второй главной поверхности (3), по одной разделительной области (14) на обеих главных поверхностях (2,3), расположенной между обеими тиристорными структурными между первой анодной областью (4) и второй катодной областью (12) и между второй анодной областью (9) и первой катодной областью (7), а также закорачивающие области (16), которые закорачивают первую и вторую р-базы (6, 11) через соответственно первую и вторую катодные области (7, 12) посредством перекрывающей катодные области металлизации, отличающийся тем, что плотность закорачивающих областей (16) на единицу площади возрастает в направлении разделительной области (14) и принимает непосредственно рядом с ней максимальное значение. 2. Тиристор по п. 1, отличающийся тем, что закорачивающие области (16) содержат прямолинейную сплошную закорачивающую область (17), проходящую вдоль разделительных областей (14) между катодными областями (7, 12) и разделительными областями (14). 3. Тиристор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вокруг первой и второй центральных областей (8, 13) управляющих электродов между ними и соседними анодными областями расположена подковообразная, в частности, особенно высокоомная область (19), причем отверстие подковы обращено соответственно к первой (7) или второй (12) катодной области. 4. Тиристор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что каждая тиристорная структура содержит усиливающую, отходящую от соответствующей центральной области (8, 13) управляющего электрода структуру (15) с пальцами управляющего электрода, которая соответственно на первой (2) или второй (3) главной поверхности интегрирована в соответствующую катодную область (7, 12) таким образом, что разделительные структуры (14) и структуры (15) с пальцами управляющего электрода образуют между собой угол, который больше нуля и составляет, в частности, примерно 45^o. 5. Тиристор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что обращенные к катодным областям края центральных областей управляющих электродов ориентированы точно по анодной области соответствующей тиристорной структуры. 6. Тиристор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что разделительные структуры (14) проходят диаметрально и имеют ширину, равную примерно 10 диффузионным длинам неосновных носителей зарядов. 7. Тиристор по любому из пп. 3-6, отличающийся тем, что подковообразная область (19) выполнена посредством травления. 8. Тиристор по любому из пп. 3-6, отличающийся тем, что подковообразная область (19) выполнена посредством маскированной имплантации части образующих р-базу легирующих примесей.