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Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen
Halbleiterkörper
Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Photodioden, Vierschichtanordnungen u. dgl., bestehen meistens aus einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder den intermetallischen Verbindungen der III. und V. bzw. der II. und VI. Gruppe des periodischen
Systems, auf den Elektroden, z. B. durch Diffusion oder Legierung, aufgebracht sind.
Innerhalb des Halbleiterkörpers befinden sich für gewöhnlich mehrere Zonen unterschiedlichen Leit- fähigkeitstyps, welche durch pn-Übergänge voneinander getrennt sind. Wenn derartige pn-Übergänge be- triebsmässig in Sperrichtung beansprucht werden, muss ein elektrischer Durchschlag und an den Stellen, an denen der pn-Übergang an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt, ein Überschlag verhindert werden. Die Halbleiterkörper werden zu diesem Zweck für gewöhnlich verschiedenen Behandlungsverfahren unterworfen, durch welche Oberflächenverunreinigungen abgetragen und schützende Schichten, beispielsweise Oxydschichten, aufgebracht werden, mit deren Hilfe ein Überschlag am pn-Übergang an der Oberfläche verhindert werden soll.
Derartige Ätzverfahren, Oxydationsbehandlungen u. dgl. erfordern für gewöhnlich sehr grosse Sorgfalt und verteuern somit das Endprodukt beträchtlich. Ausserdem liegt die Durchbruchspannung eines pn-Überganges an der Oberfläche eines Kristalls infolge anderer Feldverteilungerheblich niedriger als innerhalb des Kristalls. Deshalb wird im allgemeinen die Sperrfähigkeit eines gleichrichtenden Überganges durch den Oberflächendurchbruch bestimmt. Die Erfindung sucht derartige Halbleiteranordnungen zu verbessern.
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und wenigstens zwei mit Kontaktelektroden versehenen Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps, welche durch einen während des Betriebs der Halbleiteranordnung in Sperrichtung beanspruchten pn-Übergang getrennt sind. Erfindungsgemäss ist in die Oberfläche der einen Zone mindestens eine Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps derart eingelagert, dass sie den an die Oberfläche tretenden Rand des betriebsmässig in Sperrichtung beanspruchten pn-Überganges vollständig umschliesst, und dass das Potential dieser Zone zwischen den Potentialen der beiden Kontaktelektroden liegt. Ein derartiger Aufbau einer Halbleiteranordnung kann zu einer erheblichen Ersparnis hinsichtlich der Oberflächenbearbeitung führen.
Gleichzeitig lassen sich hiemit höhere Sperrspannungen erzielen.
Der Grund für die Erhöhung der Sperrspannung ist darin zu sehen, dass die Sperrspannung an decoder- fläche des Halbleiterkörpers sich nun auf mehrere pn-Übergänge verteilt. Der Spannungsabfall am einzelnen pn-Übergang kann deshalb verhältnismässig gering gehalten werden, wodurch es sich erreichen lässt, dass ein elektrischer Überschlag oder Durchbruch auch bei sehr geringen Oberflächenbearbeitungen nicht mehr erfolgt.
Es sind zwar bereits Halbleiteranordnungen bekanntgeworden, bei denen der Rand eines pn-Überganges von einer eingelagerten Zone umschlossen wird. Es handelt sich aber nicht um zur Potentialverteilung dienende Zonen sondern um Steuerelektroden.
An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. In den Fig. 1-4 sind Halbleiterdioden im Querschnitt dargestellt, welche gemäss der Erfindung aufgebaut sind. Die Halbleiteranordnungen sind der Deutlichkeit halber vergrössert und insbesondere in den Dickenverhältnissen stark verzerrt dargestellt.
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Eine Halbleiterdiode, wie sie beispielsweise in Fig. l dargestellt ist ; kann z. B. in folgender Weise hergestellt werden : Auf eine Molybdänscheibe von etwa 22 mm Durchmesser und etwa 2 mm Dicke wird eine Aluminiumscheibe von etwa 19 mm Durchmesser und etwa 50 j. t Dicke aufgelegt. Auf diese Aluminiumscheibe wird ein Plättchen aus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa
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haben : Darauf folgt eine Gold-Antimon-Folie mit beispielsweise 0,5go Antimongehalt, die einen kleineren Durchmesser, z. B. 14 mm, als die Siliziumscheibe und eine Dicke von etwa 80 Jl aufweist. Eine ringscheibenförmige Folie aus dem gleichen Material und mit der gleichen Dicke, welche z.
B. einen Innendurchmesser von 15 mm und einen Aussendurchmesser von 17 mm besitzt, wird ebenfalls auf die Oberseite des Halbleiterplättchens aufgelegt, u. zw. in der Weise, dass sie die erste Folie überall mit gleichem Abstand umgibt.
Das Ganze wird in ein mit diesen Materialien nicht reagierendes, nicht schmelzendes Pulver, beispielsweise Graphitpulver, eingepresst und auf etwa 8000 C unter Anwendung von Druck erhitzt. Die Erwärmung kann beispielsweise in einem Legierungsofen durchgeführt werden, welcher evakuiert bzw. mit einem Schutzgas gefüllt ist.
Fig. l zeigt das Ergebnis. Auf einer Molybdänscheibe 2 ruht eine Aluminium-Silizium-Legierung 3, an welche ein Siliziumkörper angrenzt, welcher auf der der Aluminiumlegierung zugewendeten Seite eine mit Aluminium hochdotierte p-leitende Zone 4 aufweist. Danach folgt eine schwach p-leitende Zone 5, welche aus dem ursprünglichen Halbleitermaterial der in den Legierungsofen eingebrachten Siliziumschei- be besteht. Auf der Oberfläche liegt eine im wesentlichen aus dem Gold-Silizium-Eutektikum bestehende Ronde 6 auf einer mit Antimon dotierten und demzufolge n-leitenden Zone 7 auf. Eine Ringscheibe 8, die ebenfalls im wesentlichen aus dem Gold-Silizium-Eutektikum besteht, ruht auf einer weiteren n-leitenden Zone 9, welche ebenfalls die Form einer Ringscheibe aufweist.
Die Molybdänscheibe 2 ist mit einem Kontakt 10 versehen, welcher in der Zeichnung symbolisch als Zuführungsleiter dargestellt ist. Die Kontaktelektrode 6 besitzt ebenfalls einen Kontakt 11. Die Ringscheibe 8 kann, z. B. durch Ätzen, entfernt werden. Sie kann aber auch auf dem Halbleiterkörper belassen werden.
Der Abstand der Ringelektrode 8 von der Ronde 6 beträgt etwa 500 j. Durch den Legierungsvorgang werden die Grössenverhältnisse der einzelnen Teile der Anordnung nur unwesentlich verändert, so dass sich durch die Bemessung der aufgebrachten Folie bereits eine Bemessung der fertigen Halbleiteranordnung ergibt. Der Abstand der Ringelektrode 8 bzw. der Zone 9 von dem an die Oberfläche tretenden pn-Übergang (äussere Grenze der Zone 7) wird zweckmässigerweise so gewählt, dass er eine oder mehrere Diffusionslängen der Minoritätsträger beträgt. Hiedurch lässt sich verhindern, dass die zusätzlich aufgebrachte Zone einen Transistoreffekt zeigt. Im Falle eines Transistors ist zu fordern, dass der Abstand des Emitters
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oder gleich einer Diffusionslänge wählen.
Im vorliegenden Fall eines p-s-n-Gleichrichters bedeutet dies, dass der Abstand der Ringelektrode 8 von der Ronde 6 etwa im Bereich von 0, 5 bis 5 Basisdicken liegen sollte, da die Basisdicke, nämlich der lineare Abstand zwischen den Zonen 4 und 7, bei optimaler Dimensionierung eines p-s-n-Gleichrichters etwa 2 Diffusionslängen betragen soll.
Im Betrieb der Halbleiterdiode liegt an den Kontakten 10 und 11 eine Wechselspannung. Die Diode lässt lediglich einen Durchlassstrom in Richtung von dem Kontakt 10 zu dem Kontakt 11 fliessen, während sie bei umgekehrter Polung der Wechselspannung an dem zwischen den Zonen 5 und 7 befindlichen pn- Übergang sperrt. Diese Sperrspannung ist durch verschiedene Umstände begrenzt, insbesondere durch die Dotierung des Materials sowie durch die Dicke der Zone 5. An der Oberfläche des Halbleiterkörpers ist die Sperrspannung, wie bereits beschrieben, durch Oberflächenverunreinigungen, wie z. B. Feuchtigkeit, und die Feldstärke begrenzt.
Durch die Aufteilung der Sperrspannung an der Oberfläche auf mehrere pn-Übergänge wird erreicht, dass der einzelne pn-Übergang wesentlich geringer beansprucht ist und damit im ganzen die Sperrspannung erheblich höher getrieben werden kann, z. B. auf 2000 V oder höher.
In dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 wird der Spannungsabfall der Sperrspannung zwischen den Kontakten 11 und 10 an der Oberfläche des Halbleiterkörpers im wesentlichen durch den pn-Übergang zwischen den Zonen 5 und 7 und durch den pn-Übergang am Aussenrand der Zone 9 getragen.
In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches in ähnlicher Weise wie das gemäss Fig. l hergestellt werden kann und welches im wesentlichen auch den gleichen Aufbau aufweist. Für gleiche Teile wurden die gleichen Bezeichnungen gewählt.
Lediglich die Herstellung der in die Oberfläche des Halbleiterkörpers eingelagerten Zonen entgegen-
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gesetzten Leitfähigkeitstyps wurde bei diesem Beispiel in anderer Weise bewirkt. In die schwach p-leitende Zone 5 wurde nämlich von der Oberseite des Halbleiterkörpers her ein n-dotierender Stoff, beispielsweise Phosphor, eindiffundiert, wodurch eine dünne n-leitende Zone entsteht, die z. B. 1-10 fil stark sein kann. Diese n-leitende Zone wird durch das Einarbeiten von Unterbrechungen 12 und 13 in einzelne ringscheibenförmige Zonen 14, 15 und 16 aufgeteilt. Die Vertiefungen 12 und 13 können z. B. durch Einätzen oder durch mechanische Einarbeitung hergestellt werden.
Im Betriebsfall finden sich bei Beanspruchung der Halbleiterdiode in Sperrichtung drei hintereinander geschaltete pn-Übergänge an der Oberfläche des Halbleiterkörpers, welche zu der gewünschten Aufteilung der Sperrspannung fuhren.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die zusätzlich aufgebrachten Zonen mit
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ge Widerstände sind zweckmässigerweise mit im Gehäuse der gekapselten Halbleiteranordnung untergebracht.
Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführungsform. Es handelt sich um eine Halbleiteranordnung entsprechend Fig. 1. Hiezu kommt lediglich ein Widerstand 17 von einigen k ss, der zwischen die Kontaktelektroden 6 und 8 geschaltet ist. Gemäss einer weiteren Ausführungsform (s. Fig. 4) kann dieser Widerstand als dünne Widerstandsschicht 18 ausgebildet sein, welche auf der Halbleiteroberfläche aufliegt und die einzelnen Zonen miteinander verbindet. Hiefür geeignet sind z. B. eine aufgedampfte Metallschicht, eine Oxydschicht, Graphit oder ein metallhaltiger Lack.
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lagerte Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps können auch in anderer Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Diffusion mit Hilfe von Masken, wobei durch derartige Masken die Oberfläche mit Ausnahme eines ringförmigen Teils bedeckt ist.
Eine weitere Herstellungweise kann darin bestehen, dass ein dotierender Stoff in Form einer Paste auf die Halbleiteroberfläche in der gewünschten Form aufgebracht und anschliessend durch einen-Erwärmungsvorgang in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird. Eine derartige Diffusion mit Hilfe einer Paste kann beispielsweise beim Einlegieren der Kontaktelektroden 3 und 6 erfolgen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. So kann z. B. bei einem andern Aufbau der Halbleiterdiode eine p-leitende Zone in das n-leitende Halbleitermaterial eingelagert werden, welche dann ebenfalls den an die Oberfläche tretenden pn-Übergang ringförmig umschliesst. Zwecks Erhöhung der Sperrspannung kann die Zahl der hintereinander geschalteten pn- Übergänge praktisch beliebig gesteigert werden.
Auch andere Halbleiteranordnungen mit sperrenden pn-Übergängen können in der erfindungsgemässen Weise aufgebaut sein ; z. B. kann bei Transistoren in der Nähe des Kollektor-pn-Überganges eine derartige eingelagerte und dean-übergang umschliessende zusätzliche Zone angebrachtwerden. Bei Vierschichtanordnungen, welche z. B. als Stromtore verwendet werden, können ebenfalls, insbesondere am mittleren pn-Übergang, derartige zusätzliche Zonen in dem Halbleiterkörper angebracht werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Anbringung einer zusätzlichen Zone besteht darin, dass ein beispielsweise stabförmiger Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps mit einer Oberflächenschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, z. B. durch Diffusion, versehen wird. Nach dem Aufteilen in scheibenförmige Körper durch Schnitte senkrecht zur Stabachse sind die so gewonnenen Halbleiterscheiben gleich mit einer Randzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps versehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und wenigstens zwei mit Kontaktelektroden versehenen Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, welche durch einen während des Betriebes der Halbleiteranordnung in Sperrichtung beanspruchten pn-Übergang getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche der einen Zone mindestens eine Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps derart eingelage" : ist, dass sie den an die Oberfläche tretenden Rand des betriebsmässig in Sperrichtung beanspruchten pn-Überganges vollständig umschliesst, und dass das Potential dieser Zone zwischen den Potentialen der beiden Kontaktelektroden liegt.