DE4111383A1

DE4111383A1 - Semiconductor element - has multiple segment contact fingers coupled to ballast resistor

Info

Publication number: DE4111383A1
Application number: DE19914111383
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Roggwiller
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1990-05-11
Filing date: 1991-04-09
Publication date: 1991-11-14

Abstract

Between the anode and cathode of a semiconductor substrate (15) are formed a p-E-emitter layer (1), an n-base (2), p-base (3) and multiple cathode fingers (5.1-5.4) with n-emitter layers (4.1-4.4). The cathode fingers are typically a few millimeters long and a few tens of millimeters wide. On each finger surface is formed a segment of metal (7.1 to 7.4). The electrically isoalted segments provide points of individual connection to the resistive layer (11) of a ballast resistor. The device forms a GTO thyristor. USE/ADVANTAGE - Inhibits unwanted current concentration using ballast resistor. GTO thyristor device.

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, umfassend ein Halbleitersubstrat mit mehreren, im Halbleitersubstrat integrierten und funktionell parallel geschalteten, im wesentlichen identischen Schaltsegmenten, wobei auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats für jedes Schaltsegment eine eigene von den anderen isolierte Segmentmetallisierung vorgesehen ist, und einen Ballastwiderstand für jedes Schaltsegment zum Verhindern unerwünschter Stromkon zentrationen.The invention relates to a semiconductor component, comprising a Semiconductor substrate with several, in the semiconductor substrate integrated and functionally connected in parallel essentially identical switching segments, with one Main area of the semiconductor substrate for each switching segment its own segment metallization isolated from the others is provided, and a ballast resistor for each Switch segment to prevent unwanted electricity con centers.

State of the art

Halbleiterbauelemente, die hohe Lastströme abschalten können, bestehen in ihrem inneren Aufbau aus einer Vielzahl parallel geschalteter, identischer Funktionseinheiten. Bei hochsperrenden Bauelementen (< 1000 V) handelt es sich dabei immer um bipolare Strukturen mit starker Modulation der freien Ladungsträger im eingeschalteten Zustand. Soll das Bauelement beim Abschalten vom leitenden in den blockierenden Zustand übergeführt werden, so müssen die überschüssigen Ladungsträger aus dem Volumen des Halbleiters verschwinden. Dies geschieht zum einen durch den ableitenden Steuerstrom und zum anderen durch Rekombination innerhalb des Halbleiterkristalls. Semiconductor components that can switch off high load currents consist of a large number of parallel structures switched, identical functional units. At highly blocking components (<1000 V) always around bipolar structures with strong modulation of the free Charge carriers when switched on. Should the component when switching from the conductive to the blocking state the excess charge carriers must be transferred disappear from the volume of the semiconductor. this happens on the one hand by the discharge control current and on the other hand by recombination within the semiconductor crystal.

Während der endlich kurzen Zeit des Abschaltvorganges kann sich die Aufteilung des Laststromes und damit die Menge der injizierten Ladungsträger auf die einzelnen Bauelementzellen sehr unregelmäßig entwickeln. Dieses als "Stromfilamentierung" bekannte Problem kann zur lokalen Überhitzung und damit zur Zerstörung des Bauelementes führen.During the finally short time of the shutdown process the distribution of the load current and thus the amount of injected charge carriers onto the individual component cells develop very irregularly. This as "current filamentation" Known problem can lead to local overheating and therefore Destruction of the component.

Besonders empfindlich in dieser Beziehung sind großflächige Strukturen für hohe Abschaltströme, die mit einer Abschaltverstärkung größer als eins betrieben werden wie beispielsweise Hochleistungs-GTO-Thyristoren (GTO = Gate Turn Off) oder -Darlington-Transistoren (vgl. "Design and development of monolithic power darlington transistor", D.K. Thakur et al., IEEE Indust. Appl. Soc. 1986, pp.420-428). Bedingt durch eine begrenzte Anstiegsgeschwindigkeit des Steuerstroms und einen gleichzeitig hohen Spitzenwert resultiert eine lange Speicherzeit (bis über 20µs), in der noch praktisch der volle Anodenstrom fließt und weiterhin Ladungsträger injiziert werden. Wie sich die Verteilung des Stroms und der überschüssigen Ladungsträger am Ende der Speicherzeit darstellt, hängt sowohl von der Verteilung zu Beginn des Abschaltvorganges als auch von der Homogenität der Ansteuerung der Segmente ab.Large areas are particularly sensitive in this respect Structures for high shutdown currents, which with a Shutdown gain greater than one operated like for example high-performance GTO thyristors (GTO = Gate Turn Off) or Darlington transistors (cf. "Design and development of monolithic power darlington transistor ", D.K. Thakur et al., IEEE Industry. Appl. Soc. 1986, pp.420-428). Due to a limited rate of increase of the Control current and a high peak value at the same time results in a long storage time (up to 20µs) in which practically the full anode current continues to flow Charge carriers are injected. How the distribution of the Electricity and the excess charge carrier at the end of the Storage time depends on both the distribution too Start of the shutdown process as well as the homogeneity of the Control of the segments.

Es gibt keinen ausreichend starken, dem GTO inhärenten Effekt, der eine lokale Konzentration des Stroms auf wenige Segmente verhindern könnte. Die Konsequenz davon ist, daß mit zunehmender Anzahl von Segmenten der abschaltbare Strom pro Segment abnimmt.There’s no strong enough effect inherent in GTO, which is a local concentration of electricity on a few segments could prevent. The consequence of this is that with increasing number of segments of the switchable current per Segment decreases.

Aus der DE-38 02 050-A1 ist nun ein Lösungsversuch zur Verhinderung der unerwünschten Stromfilamentierung bekannt. Entsprechend diesem Vorschlag wird in jedem Segment eines GTO ein zusätzlicher Ballastwiderstand integriert. Der Widerstand ist durch eine zusätzliche Schicht im Kathodenfinger des GTO verkörpert. Es handelt sich dabei beispielsweise um eine Polysilizium-Schicht, die zwischen n-Emitter und Kontakt metallisierung des Fingers vorgesehen ist.DE-38 02 050-A1 is now an attempt to solve the problem Prevention of unwanted current filament known. According to this proposal, in every segment of a GTO an additional ballast resistor is integrated. The resistance is due to an additional layer in the cathode finger of the GTO embodies. For example, it is a Polysilicon layer between n-emitter and contact Metallization of the finger is provided.

Der Nachteil dieser bekannten Lösung liegt im technologischen Bereich. Es erweist sich in der Praxis nämlich als schwierig und aufwendig, einen großflächigen GTO herzustellen, bei welchem alle Segmente mit dem gleichen Ballastwiderstand versehen sind. Die bei der Herstellung auftretenden Streuungen der Widerstandswerte wirken dem gewünschten Effekt aber gerade entgegen.The disadvantage of this known solution lies in the technological Area. It turns out to be difficult in practice and complex to produce a large-area GTO, at which all segments with the same ballast resistance are provided. The scatter that occurs during manufacture the resistance values work the desired effect opposite.

Presentation of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art anzugeben, welches einen großen abschaltbaren Strom zuläßt, ohne daß die Gefahr einer unerwünschten Stromfilamentierung besteht.The object of the invention is therefore a semiconductor component of the type mentioned above, which is a large switchable current allows without the risk of a unwanted current filamentation exists.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung darin, daß der Ballastwiderstand der Schaltsegmente außerhalb des Halbleiter substrats und von diesem körperlich getrennt in elektrischem Kontakt mit den Segmentmetallisierungen angeordnet ist.According to the invention, the solution is that the Ballast resistance of the switching segments outside the semiconductor substrate and physically separated from it in electrical Contact with the segment metallizations is arranged.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der Erfindung der Ballastwiderstand also nicht im Halbleitersubstrat integriert, sondern extern angebracht. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß die Ballastwiderstände unabhängig vom Bauelement, dessen Herstellungsprozeß und Abmessungen dimensioniert werden kann. Die Erfindung läßt sich außerdem mit sehr einfachen Mitteln realisieren.In contrast to the prior art, the invention Ballast resistor not integrated in the semiconductor substrate, but attached externally. This has the particular advantage that the ballast resistors regardless of the device whose Manufacturing process and dimensions can be dimensioned. The invention can also be done with very simple means realize.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Ballast widerstand als dünne Widerstandsschicht ausgebildet, die sich zumindest über mehrere, voneinander isolierte Segmentmetalli sierungen zusammenhängend erstreckt. Auf diese Weise kann sie insbesondere ohne Probleme in den bestehenden Halbleitermodulen eingebaut werden. Normalerweise werden ja großflächige Bauelemente hoher Leistung durch Anpressen von planen Metallscheiben (Kontaktelektroden resp. Mo- oder W-Scheiben) gegen die metallisierten Hauptflächen des Halbleiterbauelements kontaktiert (Druckkontakt: vgl. z. B. EP-02 87 770-A1). Gemäß der Erfindung kann nun z. B. eine Widerstandsschicht zwischen Baulement und Metallscheibe eingefügt werden, welche bewirkt, daß sich die Emitterpotentiale in den Fingern des GTO so einstellen, daß sich eine gleichmäßige Stromverteilung unter den Schaltsegmenten ergibt. Durch die Widerstandsschicht erhält man somit auf einfache Weise die gewünschte negative Rückkopplung.According to an advantageous embodiment, the ballast resistance formed as a thin resistance layer, which itself at least over several segment metals isolated from one another stretches coherently. That way she can especially without problems in the existing semiconductor modules to be built in. Usually they are large High performance components by pressing on plans Metal discs (contact electrodes or Mo or W discs) against the metallized main surfaces of the semiconductor component contacted (pressure contact: see e.g. EP-02 87 770-A1). According to the invention can now, for. B. a resistance layer between Building element and metal disc are inserted, which causes that the emitter potentials in the fingers of the GTO so adjust that there is an even current distribution under the switching segments. Obtained through the resistance layer you can easily find the desired negative Feedback.

Besonders bevorzugt, weil einfach in der Herstellung und in der Anwendung, ist eine Widerstandsschicht in der Form einer körperlich selbständigen Scheibe, die in unmittelbarem Kontakt mit den inselartig voneinander isolierten Segmentmetalli sierungen steht.Particularly preferred because it is easy to manufacture and easy to manufacture Application, is a resistance layer in the form of a physically independent disc in direct contact with the segmental metal insulated from each other sations stands.

Wenn ein durch die Widerstandsschicht bewirkter Kopplungsfaktor k zwischen benachbarten Schaltsegmenten nicht größer als 0.5 ist, dann ist eine ausreichend gute Stromverteilung gewährleistet. Je kleiner der Kopplungsfaktor, desto besser die Entkopplung der Schaltsegmente.If a coupling factor caused by the resistance layer k between adjacent switching segments not greater than 0.5 then there is a sufficiently good current distribution guaranteed. The smaller the coupling factor, the better the Decoupling of the switching segments.

Eine kostengünstige Realisierung ergibt sich, wenn die Widerstandsschicht aus einem elektrisch isotropen Material besteht und eine Dicke ds hat, die höchstens halb so groß wie ein gegenseitiger Abstand a von benachbarten Segmentmetallisierungen ist.An inexpensive realization arises if the Resistance layer made of an electrically isotropic material exists and has a thickness ds which is at most half as large as a mutual distance a from neighboring ones Segment metallizations is.

Besonders bevorzugt ist eine Widerstandsschicht aus geeignet dotiertem Silizium. Da durch die Dotierung der spezifische Widerstand in einem großen Bereich eingestellt werden kann, ist die Schichtdicke weitgehend unabhängig von den übrigen Vorgaben wählbar. Außerdem verursacht eine solche Scheibe keine thermisch bedingte mechanische Belastung des Halbleiter substrat, besteht doch das Halbleitersubstrat bei Bauelementen hoher Leistung zum gegenwärtigen Zeitpunkt überwiegend aus Silizium.A resistance layer made of is particularly preferred doped silicon. Since the specific Resistance can be set in a wide range the layer thickness is largely independent of the others Selectable specifications. It also causes such a disc no thermal mechanical stress on the semiconductor substrate, since there is the semiconductor substrate for components high performance at the present time predominantly Silicon.

Eine Variante, die dickere Widerstandsschichten und damit größere mechanische Robustheit ermöglicht, besteht darin, daß die Widerstandsschicht aus einem elektrisch anisotropen Material besteht und daß ein als Ballastwiderstand wirkender axialer spezifischer Widerstand größer ist als ein als Kopplungswiderstand wirkender lateraler spezifischer Widerstand der Widerstandsschicht.A variant, the thicker resistance layers and thus allows greater mechanical robustness is that the resistance layer from an electrically anisotropic Material exists and that one acts as a ballast resistor axial resistivity is greater than a Coupling resistance acting lateral specific resistance the resistance layer.

Zur Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen Widerstandsschicht und Halbleitersubstrat ist die Widerstandsschicht vorzugsweise mit einer zusätzlichen, kopplungsfreien Metallisierung versehen. Eine solche Metallisierung kann entweder durch mehrere, jeweils auf die Segmentmetallisierungen abgestimmte, inselartige Metallisierungen oder durch eine zusammenhängende, aber äußerst dünne Metallisierung verwirklicht werden.To improve the electrical contact between Resistance layer and semiconductor substrate is the Resistance layer preferably with an additional, provided coupling-free metallization. Such Metallization can be done either by several, each on the Segmented metallizations, island-like Metallizations or by a coherent, however extremely thin metallization can be realized.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft auf GTO-Thyristoren anwendbar. Um die Durchlaßverluste nicht zu groß werden zu lassen, sollte die Spannung am Ballastwiderstand nicht mehr als 10% der Durchlaßspannung des Halbleiterbauelements betragen.The invention is particularly advantageous on GTO thyristors applicable. In order not to increase the transmission losses too much the voltage across the ballast resistor should not exceed 10% of the forward voltage of the semiconductor device.

Aus der Gesamtheit der abhängigen Patentansprüchen ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen.From the totality of the dependent patent claims arise further advantageous embodiments.

Brief description of the drawings

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen: In the following, the invention is intended to be based on exemplary embodiments and will be explained in connection with the drawings. Show it:

Fig. 1 Ausschnittsweise einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement; Fig. 1, a fragmentary schematic cross-section through an inventive semiconductor device;

Fig. 2 Kopplungsfreie Metallisierung in der Form inselartiger Metallisierungen; und Fig. 2 coupling Free metallization island-like in the form of metallization; and

Fig. 3 Kopplungsfreie Metallisierung in der Form einer extrem dünnen Metallisierung. Fig. 3 coupling-free metallization in the form of an extremely thin metallization.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The reference numerals used in the drawings and their The meaning is summarized in the list of names listed. Basically, the same parts are in the figures provided with the same reference numerals.

Ways of Carrying Out the Invention

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines GTO-Thyristors erläutert. Dieser hat die herkömmliche Vierschichtstruktur ohne die aus der DE-38 02 050-A1 bekannten integrierten Ballastwiderstände.The invention is based on a GTO thyristor explained. This has the conventional four-layer structure without the integrated known from DE-38 02 050-A1 Ballast resistors.

Fig. 1 zeigt ausschnittsweise einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement. Zwischen einer Anode und einer Kathode eines Halbleitersubstrats 15 sind nacheinander eine p-Emitterschicht 1, eine n-Basisschicht 2, eine p-Basisschicht 3 und eine auf mehrere Kathodenfinger 5.1,...,5.4 aufgeteilte n-Emitterschicht 4.1,...,4.4 angeordnet. Fig. 1 shows a partial schematic cross section through an inventive semiconductor component. Between an anode and a cathode of a semiconductor substrate 15 there are successively a p-emitter layer 1 , an n-base layer 2 , a p-base layer 3 and an n-emitter layer 4.1, ..., divided over several cathode fingers 5.1, ..., 5.4 . 4.4 arranged.

Kathodenseitig ist die Oberfläche des Halbleitersubstrats 15 in bekannter Manier derart strukturiert, daß sich die Kathoden finger 5.1,...,5.4, welche typischerweise einige Millimeter lang und einige Zehntelmillimeter breit (z. B. 3 mm×0.3 mm) sind, von einer tieferliegenden Gateebene abheben. Jeder Kathodenfinger 5.1,...,5.4 weist auf seiner Oberseite eine Segmentmetallisierung 7.1,...,7.4 auf. Anodenseitig ist das Halbleitersubstrat 15 mit einer durchgehenden ersten Metallisierung 6 versehen. In der Gateebene ist eine zusammenhängende zweite Metallisierung 8 aufgebracht, welche den elektrischen Kontakt zur p-Basisschicht 3 schafft.On the cathode side, the surface of the semiconductor substrate 15 is structured in a known manner such that the cathode fingers 5.1, ..., 5.4 , which are typically a few millimeters long and a few tenths of a millimeter wide (e.g. 3 mm × 0.3 mm), are from one Lift off the lower gate level. Each cathode finger 5.1, ..., 5.4 has a segment metallization 7.1, ..., 7.4 on its upper side. The semiconductor substrate 15 is provided on the anode side with a continuous first metallization 6 . A coherent second metallization 8 is applied in the gate plane, which creates the electrical contact to the p-base layer 3 .

Dadurch, daß die kathodenseitige n-Emitterschicht 4.1,...,4.4 und die Segmentmetallisierung 7.1,...,7.4 in eine Vielzahl inselartiger, von einander isolierter Teilschichten aufgeteilt ist, entsteht ein Bauelement mit entsprechend vielen, im Halbleitersubstrat integrierten und funktionell parallel geschalteten Schaltsegmenten. Diese Schaltsegmente sind im wesentlichen, d. h. von ihrer Wirkungsweise her identisch, unterscheiden sich jedoch in der Praxis in ihren konkreten Parametern mehr oder wenig geringfügig. Die Unterschiede sind durch nicht zu vermeidende Inhomogenitäten bei der Herstellung begründet und können zu der eingangs erläuterten Stromfilamentierung führen.The fact that the cathode-side n-emitter layer 4.1, ..., 4.4 and the segment metallization 7.1, ..., 7.4 is divided into a large number of island-like sub-layers that are insulated from one another, creates a component with a correspondingly large number of integrated and functionally parallel elements in the semiconductor substrate switched switching segments. These switching segments are essentially, ie identical in their mode of operation, but differ in practice in their concrete parameters more or less slightly. The differences are due to unavoidable inhomogeneities during production and can lead to the current filamentation explained at the beginning.

Der GTO-Thyristor wird z. B. im Sinn der aus der EP-02 87 770-A1 bekannten Druckkontaktierung in einem Gehäuse untergebracht. Dabei wird das Halbleitersubstrat 15 zwischen einer ersten und einer zweiten Kontaktelektrode 9 resp. 10 eingespannt. Zum Vermeiden einer durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Silizium und Kupfer bedingten Belastung des Halbleitersubstrats, kann eine Molybdän- oder Wolframscheibe zwischen Kupferelektrode und Halbleitersubstrat eingeschoben sein.The GTO thyristor is used e.g. B. in the sense of the known from EP-02 87 770-A1 pressure contact in a housing. The semiconductor substrate 15 between a first and a second contact electrode 9, respectively. 10 clamped. A molybdenum or tungsten disk can be inserted between the copper electrode and the semiconductor substrate in order to avoid stress on the semiconductor substrate caused by the different thermal expansion of silicon and copper.

Im folgenden wird als axiale Richtung diejenige Richtung bezeichnet, in der der Strom im Durchlaßzustand fließt (in Fig. 1 in vertikaler Richtung). Entsprechend wird mit "lateral" jede dazu senkrechte Richtung identifiziert (d. h. jede zur Hauptfläche des Halbleitersubstrats parallele Richtung).In the following, the axial direction is the direction in which the current flows in the on state (in Fig. 1 in the vertical direction). Accordingly, "perpendicular" identifies each direction perpendicular thereto (ie each direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate).

Was bisher beschrieben worden ist, gehört zum Stand der Technik. Neu ist der gemäß der Erfindung extern angeordnete Ballastwiderstand. What has been described so far belongs to the state of the Technology. What is new is that which is arranged externally according to the invention Ballast resistance.

In Fig. 1 ist er als separate Widerstandsschicht 11 eingezeichnet. Diese steht in unmittelbarem Kontakt mit den Segmentmetallisierungen 7.1,...,7.4 der Kathode des GTO- Thyristors einerseits und der Kontaktelektrode 10 (resp. einer Molybdän-Scheibe) andererseits.In Fig. 1 it is shown as a separate resistance layer 11 . This is in direct contact with the segment metallizations 7.1, ..., 7.4 of the cathode of the GTO thyristor on the one hand and the contact electrode 10 (or a molybdenum disk) on the other.

Die Widerstandsschicht 11 hat eine Schichtdicke ds, die unter anderem abhängig ist vom spezifischen Widerstand δ des Materials, vom gegenseitigen Abstand a der Segmente (resp. Kathodenfinger) und von der Segmentbreite W_s (resp. der Breite eines Fingers):The resistance layer 11 has a layer thickness ds which depends, among other things, on the specific resistance δ of the material, on the mutual spacing a between the segments (or cathode fingers) and on the segment width W _s (or the width of a finger):

ds = (k W_s a)^1/2 (I)ds = (k W _s a) ^1/2 (I)

Der Kopplungsfaktor k ist von besonderer Bedeutung. Er gibt an, wie stark zwei benachbarte Schaltsegmente des GTO-Thyristors durch die erfindungsgemäße Widerstandsschicht 11 gekoppelt sind:The coupling factor k is of particular importance. It indicates how strongly two adjacent switching segments of the GTO thyristor are coupled by the resistance layer 11 according to the invention:

k = R_B/R_C (II)k = R _B / R _C (II)

R_B bezeichnet hier den gewünschten, axialen Ballastwiderstand und R_C den Kopplungswiderstand zwischen zwei benachbarten Schaltsegmenten.R _B denotes the desired axial ballast resistance and R _C the coupling resistance between two neighboring switching segments.

Mit Vorteil wird die Widerstandsschicht 11 so ausgelegt, dass der Kopplungsfaktor k0.5 ist. Damit ist nämlich bereits eine verhältnismäßig gute Entkopplung gewährleistet bei gleichzeitig ausreichender mechanischer Stabilität. Ziel soll es aber sein, den Kopplungsfaktor so klein wie möglich zu machen. Je besser nämlich die einzelnen Schaltsegmente entkoppelt sind, um so wirksamer ist der Ballastwiderstand in bezug auf die Unterdrückung der gefährlichen Stromfila mentierung. The resistance layer 11 is advantageously designed such that the coupling factor is k0.5. This means that a relatively good decoupling is already guaranteed with sufficient mechanical stability. However, the aim should be to make the coupling factor as small as possible. The better the individual switching segments are decoupled, the more effective is the ballast resistance in relation to the suppression of dangerous current filamentation.

Bei einem homogenen Material wird dies dadurch erreicht, daß die Schichtdicke ds höchstens halb so groß wie der Abstand a der Segmente ist. Mit Vorteil ist aber ds viel kleiner als a. Eine untere Grenze für die Schichtdicke ds ergibt sich in der Praxis aufgrund der Eigenschaften verfügbarer Materialien.With a homogeneous material, this is achieved in that the layer thickness ds is at most half the distance a of the segments is. Advantageously, however, ds is much smaller than a. There is a lower limit for the layer thickness ds in the Practice due to the properties of available materials.

Ausgangspunkt für die Bemessung der Widerstandsschicht 11 ist der Spannungsverlust am Halbleiterbauelement bei gegebener Kathodenstromdichte j im Durchlaßzustand. Um die Verluste in der Widerstandsschicht in einem akzeptablen Rahmen zu halten, sollte die Spannung delta u am Ballastwiderstand vorzugsweise nicht mehr als etwa 10% der Durchlaßspannung des Halbleiter bauelements betragen.The starting point for the dimensioning of the resistance layer 11 is the voltage loss at the semiconductor component for a given cathode current density j in the on state. In order to keep the losses in the resistance layer within an acceptable range, the voltage delta u at the ballast resistor should preferably not be more than about 10% of the forward voltage of the semiconductor component.

Als nächstes kann die zu einem gewünschten Kopplungsfaktor k gehörende Schichtdicke ds ermittelt werden. Dazu werden in die Formel (I) die geometrischen Parameter (W_s, a) des Halbleiter bauelements eingesetzt.Next, the layer thickness ds belonging to a desired coupling factor k can be determined. For this purpose, the geometric parameters (W _s , a) of the semiconductor component are used in the formula (I).

Der geforderte spezifische Widerstand δ ergibt sich schließlich gemäßThe required specific resistance δ results finally according to

Ein Rechenbeispiel mag das Gesagte verdeutlichen. Es wird angenommen, daß die Durchlaßspannung delta_-u = 200 mV bei einer Kathodenstromdichte j=200 A/cm² betragen soll. Bei einem gewünschten Kopplungsfaktor k = 0.5 ergibt sich gemäß Formel (I) eine Schichtdicke ds=137 µm und ein spezifischer Widerstand δ=0.07 Ohm cm (Formel (II)).A calculation example may clarify what has been said. It is assumed that the forward voltage delta _- u = 200 mV at a cathode current density j = 200 A / cm ² . With a desired coupling factor k = 0.5, a layer thickness ds = 137 μm and a specific resistance δ = 0.07 ohm cm (formula (II)) are obtained according to formula (I).

Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Widerstandsschicht 11 durch eine körperlich selbständige, dünne Scheibe aus Silizium verkörpert. Der gewünschte spezifische Widerstand wird dabei durch eine Dotierung geeigneter Höhe eingestellt. Für das durchgerechnete Zahlenbeispiel ist z. B. n-typ Silizium mit einer Grunddotierung von 1.4×10¹⁷cm^-3 geeignet. Im allgemeinen werden somit die Dotierungen in einem Bereich von 10¹⁶cm^-3 bis 10¹⁸cm^-3 liegen.According to a particularly preferred embodiment, the resistance layer 11 is embodied by a physically independent, thin disk made of silicon. The desired specific resistance is set by doping a suitable level. For the calculated numerical example z. B. n-type silicon with a basic doping of 1.4 × 10 ¹⁷ cm ^-3 suitable. In general, the doping will thus be in a range from 10 ¹⁶ cm ^-3 to 10 ¹⁸ cm ^-3 .

Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt primär darin, daß Schichtdicke ds und spezifischer Widerstand weitgehend unabhängig voneinander gewählt werden können. Ein weiterer wichtiger Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß eine solche Widerstandsschicht 11 dieselbe thermische Ausdehnung hat wie das für Hochleistungs-Bauelemente übliche Silizium substrat. Die thermisch bedingte mechanische Beanspruchung des Halbleitersubstrats ist damit minimal.The advantage of this embodiment lies primarily in the fact that layer thickness ds and specific resistance can be chosen largely independently of one another. Another important advantage results from the fact that such a resistance layer 11 has the same thermal expansion as the silicon substrate customary for high-performance components. The thermal mechanical stress on the semiconductor substrate is therefore minimal.

Zur Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen Widerstandsschicht 11 und Halbleitersubstrat 15 kann erstere mit einer geeigneten, im wesentlichen kopplungsfreien Metallisierung versehen sein. Darunter ist eine Metallisierung zu verstehen, die nicht einen Kurzschluß zwischen benachbarten Schaltsegmenten bewirkt, was ja den Effekt des externen Ballastwiderstandes zunichte machen würde.To improve the electrical contact between the resistance layer 11 and the semiconductor substrate 15 , the former can be provided with a suitable, essentially coupling-free metallization. This means a metallization that does not cause a short circuit between adjacent switching segments, which would nullify the effect of the external ballast resistor.

Fig. 2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform. Die scheibenförmige Widerstandsschicht 11 ist auf einer mit dem Halbleitersubstrat 15 in Kontakt stehenden ersten Hauptfläche 16.1 mit inselartigen Metallisierungen 12.1,...,12.4 versehen. Diese sind so ausgebildet, daß sie gerade nur mit den Segmentmetallisierungen 7.1,...,7.4 der Kathodenfinger 5.1,...,5.4 Kontakt machen. Sie stellen also gleichsam einen "Abdruck" der Segmentmetallisierungen 7.1,...,7.4 auf der Widerstandsschicht 11 dar. Fig. 2 shows a first preferred embodiment. The disk-shaped resistance layer 11 is provided with island-like metallizations 12.1,..., 12.4 on a first main surface 16.1 that is in contact with the semiconductor substrate 15 . These are designed such that they only make contact with the segment metallizations 7.1, ..., 7.4 of the cathode fingers 5.1, ..., 5.4 . They thus represent, as it were, an "imprint" of the segment metallizations 7.1, ..., 7.4 on the resistance layer 11 .

Auf einer zweiten Hauptfläche 16.2 der scheibenförmigen Widerstandsschicht 11 kann bei Bedarf eine durchgehende Metallisierung 13 aufgebracht sein. Diese schafft dann einen optimalen Kontakt zur Kontaktelektrode 10. If necessary, a continuous metallization 13 can be applied to a second main surface 16.2 of the disk-shaped resistance layer 11 . This then creates an optimal contact with the contact electrode 10 .

Die inselartigen Metallisierungen 12.1,...,12.4 erfordern eine gute Justierung beim Zusammensetzen des ganzen Moduls. Bei nicht allzu feinen Strukturen, wie sie z. B. bei einem konven tionellen GTO-Thyristor auftreten, ist dies herstellungstech nisch jedoch unproblematisch.The island-like metallizations 12.1, ..., 12.4 require good adjustment when assembling the whole module. With not too fine structures, as z. B. occur in a conventional GTO thyristor, this is technically niche but not problematic.

Fig. 3 zeigt ein weiteres, zu Fig. 2 alternatives Ausführungs beispiel. Dieses eignet sich insbesondere für feinstrukturierte Bauelemente. Anstelle einzelner, getrennter Metallisierungen tritt eine durchgehende kopplungsarme Metallisierung 14. Sie ist sehr dünn ausgebildet, so daß in lateraler Richtung ein mehrfach höherer Widerstand (Schichtwiderstand) resultiert als in axialer Richtung. Die benachbarten Schaltsegmente werden damit nicht kurzgeschlossen. Geeignet für solche Metalli sierungen sind z. B. Silizid-Schichten (Ti-Silizid, etc.). Fig. 3 shows another, to Fig. 2 alternative embodiment example. This is particularly suitable for finely structured components. Instead of individual, separate metallizations, there is a continuous low-coupling metallization 14 . It is made very thin, so that a resistance (sheet resistance) that is several times higher results in the lateral direction than in the axial direction. The neighboring switching segments are not short-circuited. Suitable for such metallizations z. B. silicide layers (Ti silicide, etc.).

Eine Alternative zu den bekannten homogenen Materialien stellen inhomogene Medien dar. Darunter sind z. B. Werkstoffe zu verste hen, die sich aus zwei oder mehr Materialien zusammensetzen (sog. Kompositwerkstoffe). Als Beispiel sei eine Keramik er wähnt, die mit einem leitenden Füllstoff (Partikel) durchsetzt ist. Der spezifische Widerstand des Werkstoffes läßt sich dabei z. B. über die Füllstoffmenge und die Partikelgröße einstellen. Für die Bemessung der Schichtdicke ds ergeben sich somit ähnliche Vorteile wie bei dotiertem Silizium.An alternative to the known homogeneous materials inhomogeneous media. B. to understand materials hen, which are composed of two or more materials (so-called composite materials). As an example, consider ceramics thinks that is permeated with a conductive filler (particles) is. The specific resistance of the material can be doing z. B. about the amount of filler and the particle size to adjust. For the dimensioning of the layer thickness ds advantages similar to those of doped silicon.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Ballastwiderstand durch eine Beschichtung eines leitenden Trägermaterials zu verwirklichen. Die Art der Beschichtung (Dicke, Material, etc.) gibt dabei die elektrischen Eigenschaften vor, während der Träger die mechanischen Eigenschaften definiert.Another option is ballast resistance by coating a conductive support material realize. The type of coating (thickness, material, etc.) specifies the electrical properties during the Carrier defines the mechanical properties.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Widerstandsschicht aus einem elektrisch anisotropen Medium, wobei der axiale spezifische Widerstand kleiner sein soll als der laterale. Der daraus resultierende Vorteil manifestiert sich in der größeren Dicke, die bei gleichem Kopplungsfaktor zulässig ist. Als Beispiel sei eine Keramik genannt, die in axialer Richtung mit gut leitenden Fasern durchzogen ist.According to a particularly preferred embodiment of the Invention, the resistance layer consists of an electrical anisotropic medium, the axial specific resistance should be smaller than the lateral one. The resulting one Advantage manifests itself in the greater thickness that at same coupling factor is permissible. As an example Ceramics called axial conductive with good conductivity Fibers.

Wie bereits erwähnt beschränkt sich die Erfindung nicht auf GTO-Thyristoren. Sie eignet sich grundsätzlich für all jene Halbleiterbauelemente, die zur Verhinderung einer unerwünschten Stromfilamentierung mit externen Ballastwiderständen beschaltet werden können. Darunter fallen großflächige Bauelemente, deren hohe Leistungsfähigkeit durch Parallelschalten identischer (integrierter) Schaltsegmente erzielt wird. Ein typisches Beispiel stellt der Hochleistungs-Darlingtontransistor dar (vgl. eingangs zitierten Artikel von D.K. Thakur et al.).Es ist nicht unbedingt nötig, daß die Widerstandsscheibe sich zusam menhängend über die ganze Hauptfläche des Halbleitersubstrats erstreckt. Es genügt, wenn sie sich über mehrere funktionell parallelgeschaltete Segmente erstrecht. Bei Druckkontakten ist es nämlich üblich, die Gateebene mit ringförmigen Kontaktern zu versehen, so daß die Kathode in mehrere (z. B. ringförmige) Bereiche aufgeteilt wird. Für jeden dieser Bereiche wäre dann eine separate Widerstandsschicht erforderlich.As already mentioned, the invention is not limited to GTO thyristors. It is basically suitable for all of them Semiconductor devices used to prevent unwanted Current filament connected with external ballast resistors can be. This includes large components, their high performance through parallel connection of identical (Integrated) switching segments is achieved. A typical one The high-performance Darlington transistor is an example (See article by D.K. Thakur et al. cited at the beginning.) It is it is not absolutely necessary for the resistance disk to come together depending on the entire main surface of the semiconductor substrate extends. It is sufficient if they are functional parallel connected segments all the more. With pressure contacts namely, it is customary to close the gate plane with annular contacts provided so that the cathode into several (e.g. ring-shaped) Areas is divided. Then for each of these areas a separate resistive layer is required.

Abschließend kann gesagt werden, daß die Erfindung einen einfach zu beschreitenden Weg angibt, um Halbleiterbauelemente zu schützen, die von einer Stromkonzentrierung gefährdet sind.In conclusion, it can be said that the invention is a easy-to-follow path indicates semiconductor devices to protect those who are at risk of concentrating electricity.

BezeichnungslisteLabel list

1 p-Emitterschicht
2 n-Basisschicht
3 p-Basisschicht
4.1, . . ., 4.4 n-Emitterschicht
6, 8, 13 Metallisierung
5.1, . . ., 5.4 Kathodenfinger
7.1, . . ., 7.4 Segmentmetallisierung
9, 10 Kontaktelektrode
11 Widerstandsschicht
12.1, . . ., 12.4 Metallisierung
14 kopplungsarme Metallisierung
15 Halbleitersubstrat
16.1, 16.2 Hauptfläche 1 p-emitter layer
2 n base layer
3 p base layer
4.1,. . ., 4.4 n emitter layer
6, 8, 13 metallization
5.1,. . ., 5.4 cathode fingers
7.1,. . ., 7.4 Segment metallization
9, 10 contact electrode
11 resistance layer
12.1,. . ., 12.4 Metallization
14 low-coupling metallization
15 semiconductor substrate
16.1, 16.2 main area

Claims

1. A semiconductor device comprising

a) a semiconductor substrate ( 15 ) with several, in the semiconductor substrate ( 15 ) integrated and functionally connected in parallel, essentially identical switching segments, wherein on a main surface of the semiconductor substrate ( 15 ) a separate segment metallization is provided for each switching segment, and
b) a ballast resistor for each switching segment to prevent undesired current concentrations,

characterized in that

c) the ballast resistance of the switching segments is arranged outside the semiconductor substrate ( 15 ) and physically separated from it in electrical contact with the segment metallizations ( 7.1, ..., 7.4 ).

2. Semiconductor component according to claim 1, characterized in that the ballast resistor is designed as a thin resistance layer ( 11 ) which extends over a plurality of mutually insulated segment metallizations ( 7.1, ..., 7.4 ).

3. A semiconductor device according to claim 2, characterized in that the resistance layer ( 11 ) is a physically independent disc which is in direct contact with the segment metallizations ( 7.1, ..., 7.4 ) insulated from one another in an island-like manner.

4. A semiconductor device according to claim 2, characterized in that a coupling factor k caused by the resistance layer ( 11 ) between adjacent switching segments is not greater than 0.5.

5. A semiconductor device according to claim 2, characterized in that

a) the resistance layer ( 11 ) consists of an electrically isotropic material and
b) has a thickness ds that is at most half as large as a mutual distance a from adjacent segment metallizations ( 7.1, ..., 7.4 ).

6. A semiconductor device according to claim 5, characterized in that the resistance layer ( 11 ) consists of suitably doped silicon.

7. A semiconductor device according to claim 2, characterized in that

a) the resistance layer ( 11 ) consists of an electrically anisotropic material and that
b) an axial specific resistance acting as ballast resistance is greater than a lateral specific resistance of the resistance layer ( 11 ) acting as coupling resistance.

8. A semiconductor device according to claim 2, characterized in that the resistance layer ( 11 ) to improve the electrical contact with the semiconductor substrate ( 15 ) with an additional coupling-free metallization ( 12.1, ..., 12.4 ; 14 ) is provided.

9. A semiconductor device according to claim 2, characterized in that

a) the resistance layer ( 11 ) has a layer thickness ds = (k W _s a) ^1/2 and a specific resistance δ = delta _- u / j ds, where k = coupling factor, W _s = width of a segment metallization, a = distance between adjacent ones Switching segments, delta u = voltage across the ballast resistor and j = cathode current density, and that
b) delta _- u is not greater than 10% of the forward voltage of the semiconductor substrate ( 15 ).

10. A semiconductor device according to claim 1, characterized in that

a) the semiconductor substrate ( 15 ) is structured in the manner of a GTO thyristor and
b) is contacted by two contact electrodes ( 9 , 10 ) in the sense of a pressure contact, the ballast resistor being arranged between a first contact electrode ( 10 ) and the segment metallizations ( 7.1, ..., 7.4 ).