Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transisto ren, Fotodioden, V.ierschichtanordnungen u. dgl., be stehen meistens aus einem im wesentlichen einkristalli nen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder den intermetallischen Verbindungen der 11I. und V. bzw. der 1I. und VI. Gruppe des Periodischen Systems, auf den Elektroden, z. B. durch Diffusion oder Legie rung, aufgebracht sind.
Innerhalb des Halbleiterkörpers befinden sich für gewöhnlich mehrere Zonen unterschiedlichen Leit- fähigkeitstyps, welche durch pn-Übergänge voneinan der 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 Halb leiterkörpers tritt, ein Überschlag verhindert werden.
Die Halbleiterkörper werden zu diesem Zweck für ge wöhnlich verschiedenen Behandlungsverfahren unter worfen, durch welche Oberflächenverunreinigungen abgetragen und schützende Schichten, beispielsweise Oxydschichten, aufgebracht werden, mit deren Hilfe ein Überschlag am pn-Übergang an der Oberfläche ver hindert werden soll. Derartige Ätzverfahren, Oxyda tionsbehandlungen u. dgl. erfordern für gewöhnlich sehr grosse Sorgfalt und verteuern somit das End produkt beträchtlich.
Ausserdem liegt die Durch bruchspannung eines pn-Überganges an der Oberfläche eines Kristalls infolge anderer Feldverteilung erheblich niedriger als innerhalb des Kristallps. Deshalb wird im allgemeinen die Sperrfähigkeit eines gleichrichtenden Überganges durch den Oberflächendurchbruch be- stimmt. Die Erfindung sucht derartige Halbleiteran- ordnungen zu verbessern.
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiter körper und wenigstens zwei mit Kontaktelektroden versehenen Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps, welche durch einen pn-Übergang getrennt sind. Erfin- dungsgemäss :ist in die Oberfläche der einen Zone min destens eine Zone des entgegengesetzten Leitfähig keitstyps derart eingelagert, dass sie den an die Ober fläche tretenden Rand des pn-Übergangs vollständig umschliesst.
Ein derartiger Aufbau einer Halbleiteran ordnung kann zu einer erheblichen Ersparnis hinsicht lich der Oberflächenbearbeitung führen. Gleichzeitig lassen sich hiermit höhere Sperrspannungen erzielen.
Der Grund für die Erhöhung der Sperrspannung ist darin zu sehen, dass die Sperrspannung an der Oberfläche des Halbleiterkörpers sich nun auf meh rere 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 Durch bruch auch bei sehr geringen Oberflächenbearbeitun gen nicht mehr erfolgt.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Er findung näher erläutert werden. In den Figuren 1 bis 4 sind verschiedene Halbleiterdioden im Querschnitt der Deutlichkeit halber vergrössert und insbesondere in den Dickenverhältnissen stark verzerrt dargestellt.
Eine Halbleiterdiode, wie sie beispielsweise in Fig. 1 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 [t Dicke aufgelegt. Auf diese Aluminium scheibe wird ein Plättchen aus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1000 Ohm cm und einem Durchmesser von etwa 18 mm aufgelegt. Das Plättchen kann z. B. 300 #t Dicke haben.
Darauf folgt eine Gold-Antimon-Folie mit beispiels weise 0,5% Antimongehalt, die einen kleineren Durch messer, z. B. 14 mm, als die Siliziumscheibe und eine Dicke von etwa 80 ut, aufweist. Eine ringscheibenförmi ge Folie aus dem gleichen Material und mit der glei chen Dicke, welche z. B. einen Innendurchmesser von 15 mm und einen Aussendurchmesser von 17 mm be sitzt, wird ebenfalls auf die Oberseite des Halbleiter plättchens aufgelegt, und zwar 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 800 C unter Anwendung von Druck erhitzt. Die Erwärmung kann beispielsweise in einem Legierungsofen durchgeführt werden, welcher evakuiert bzw. mit einem Schutzgas gefüllt ist.
Fig. 1 zeigt das Ergebnis. Auf einer Molybdän- scheibe 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 Siliziumscheibe besteht.
Auf der Oberfläche liegt eine im wesentlichen aus dem Gold-Silizium-Eutektikum bestehende Ronde 6 auf einer mit Antimon dotierten und demzufolge n-leiten- den Zone 7 auf. Eine Ringscheibe 8, die ebenfalls im wesentlichen aus dem Gold-Silizium-Eutektikum be steht, ruht auf einer weiteren n-leitenden Zone 9, welche ebenfalls die Form einer Ringscheibe aufweist. Die Molybdänscheibe 2 ist mit einem Kontakt 10 ver sehen, welcher in der Zeichnung symbolisch als Zu führungsleiter dargestellt ist. Die Kontaktelektrode 6 besitzt ebenfalls einen Kontakt 11. Die Ringscheibe 8 kann, z. B. durch fitzen, entfernt werden.
Sie kann aber auch auf dem Halbleiterkörper belassen werden.
Der Abstand der Ringelektrode 8 von der Ronde 6 beträgt etwa 500 Et. 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 er gibt. 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.
Hierdurch lässt sich ver hindern, dass die zusätzlich aufgebrachte Zone einen Transistoreffekt zeigt. Im Falle eines Transistors ist zu fordern, dass der Abstand des Emitters von der Basis kleiner oder gleich Y3 der Diffusionslänge beträgt. Wenn man den Transistoreffekt also verhindern will, so wird man den Abstand der zusätzlich eingelagerten Zone von dem pn-Übergang grösser oder gleich einer Diffusionslänge wählen.
Im vorliegenden Fall eines p-s-n-Gleichrichters be deutet 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 Dif fusionslängen betragen soll.
Im Betrieb der Halbleiterdiode liegt an den Kon takten 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-Über- gang 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 Halbleiter körpers im wesentlichen durch den pn-Übergang zwi schen 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. 1 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 entgegengesetz ten Leitfähigkeitstyps wurde bei diesem Beispiel in anderer Weise bewirkt. In die schwach p-leitende Zone 5 wurde nämlich von der Oberseite des Halbleiter körpers her ein n-dotierender Stoff, beispielsweise Phosphor, eindiffundiert, wodurch eine dünne n-leiten- de Zone entsteht, die z. B. 1 bis 10 [ stark sein kann. Diese n-,leitende Zone wird durch das Einarbeiten von Unterbrechungen 12 und 13 in einzelne ringscheiben förmige Zonen 14, 15 und 16 aufgeteilt. Die Vertiefun gen 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 Halb leiterkörpers, welche zu der gewünschten Aufteilung der Sperrspannung führen.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfin- dung können die zusätzlich aufgebrachten Zonen mit e'ner der Kontaktelektroden über einen Widerstand verbunden sein. Hierdurch ist ihr Potential im Be triebsfall eindeutig festgelegt und die gleichmässige Be lastung der einzelnen pn-Übergänge gesichert. Der artige Widerstände sind zweckmässigerweise mit im Gehäuse der gekapselten Halbleiteranordnung unterge bracht.
Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführungsform. Es handelt sich um eine Halbleiteranordnung entspre chend Fig. 1. Hinzu kommt lediglich ein Widerstand 17 von einigen k S2, der zwischen die Kontaktelektro den 6 und 8 geschaltet ist. Gemäss einer weiteren Aus führungsform (siehe Fig. 4) kann dieser Widerstand als dünne Widerstandsschicht 18 ausgebildet sein, welche auf der Halbleiteroberfläche aufliegt und die einzelnen Zonen miteinander verbindet. Hierfür geeignet sind z. B. eine aufgedampfte Metallschicht, eine Oxyd schicht, Graphit oder ein metallhaltiger Lack.
Derartige an die Oberfläche tretende pn-Über- gänge ringförmig umgebende, in die eine Zone einge lagerte Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeits- typs 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 Herstellungsweise kann darin bestehen, dass ein dotierender Stoff in Form einer Paste auf die Halbleiteroberfläche in der gewünschten Form auf gebracht und anschliessend durch einen Erwärmungs vorgang 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 anderen Aufbau der Halbleiterdiode eine p-leitende Zone in das n-leitende Halbleitermate rial eingelagert werden, welche dann ebenfalls den an die Oberfläche tretenden pn-Übergang ringförmig um- schliesst. Zwecks Erhöhung der Sperrspannung kann die Zahl der hintereinander geschalteten pn-Übergänge praktisch beliebig gesteigert werden.
Auch andere Halbleiteranordnungen mit sperren den 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 den pn-Übergang umschliessende zu sätzliche Zone angebracht werden. Bei Vierschichtan- ordnungen, welche z. B. als Stromtore verwendet wer den, 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 beispiels weise stabförmiger Halbleiterkörper eines Leitfähig keitstyps mit einer Oberflächenschicht des entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyps, z. B. durch Diffusion, ver sehen 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.
Semiconductor arrangement with an essentially monocrystalline semiconductor body semiconductor arrangements such as rectifiers, transistors, photodiodes, V.ierschichtanungssysteme u. Like., Be are mostly composed of a substantially single crystalline semiconductor body made of germanium, silicon or the intermetallic compounds of 11I. and V. or the 1I. and VI. Group of the Periodic Table, on the electrodes, e.g. B. by diffusion or alloy tion, are applied.
Within the semiconductor body there are usually several zones of different conductivity types which are separated from one another by pn junctions. If such pn junctions are operationally loaded in the reverse direction, electrical breakdown and flashover must be prevented at the points where the pn junction comes to the surface of the semiconductor body.
For this purpose, the semiconductor bodies are usually subjected to different treatment processes through which surface impurities are removed and protective layers, for example oxide layers, are applied, with the aid of which a flashover at the pn junction on the surface is to be prevented. Such etching processes, oxidation treatments u. The like. Usually require very great care and thus make the end product considerably more expensive.
In addition, the breakdown voltage of a pn junction on the surface of a crystal is considerably lower than within the crystal due to a different field distribution. Therefore, the blocking capability of a rectifying junction is generally determined by the surface breakdown. The invention seeks to improve such semiconductor arrangements.
The invention relates to a semiconductor arrangement having an essentially single-crystal semiconductor body and at least two zones of different conductivity types, provided with contact electrodes, which are separated by a pn junction. According to the invention: at least one zone of the opposite conductivity type is embedded in the surface of the one zone in such a way that it completely surrounds the edge of the pn junction that comes to the surface.
Such a structure of a semiconductor arrangement can lead to considerable savings in terms of surface processing. At the same time, this enables higher blocking voltages to be achieved.
The reason for the increase in the reverse voltage is to be seen in the fact that the reverse voltage on the surface of the semiconductor body is now distributed over several pn junctions. The voltage drop at the individual pn junction can therefore be kept relatively low, which means that an electrical flashover or breakdown no longer occurs even with very little surface processing.
The invention will be explained in more detail using exemplary embodiments. In FIGS. 1 to 4, various semiconductor diodes are enlarged in cross-section for the sake of clarity and, in particular, are shown strongly distorted in terms of their thickness ratios.
A semiconductor diode, as shown for example in Fig. 1, can, for. B. can be produced in the following way: On a molybdenum disc of about 22 mm in diameter and about 2 mm thick, an aluminum disc of about 19 mm in diameter and about 50 [t thickness is placed. A plate made of p-conductive silicon with a specific resistance of about 1000 ohm cm and a diameter of about 18 mm is placed on this aluminum disc. The plate can, for. B. 300 #t thick.
This is followed by a gold-antimony film with example, 0.5% antimony content, which has a smaller diameter, for. B. 14 mm, as the silicon wafer and a thickness of about 80 microns. A ring Scheibenförmi ge film made of the same material and with the same thickness, which z. B. an inner diameter of 15 mm and an outer diameter of 17 mm be seated is also placed on the top of the semiconductor plate, in such a way that it surrounds the first film everywhere with the same distance.
The whole thing is pressed into a non-reactive, non-melting powder, for example graphite powder, which does not react with these materials and is heated to about 800 ° C. with the application of pressure. The heating can be carried out, for example, in an alloy furnace which is evacuated or filled with a protective gas.
Fig. 1 shows the result. An aluminum-silicon alloy 3 rests on a molybdenum disk 2, which is adjoined by a silicon body which, on the side facing the aluminum alloy, has a p-conductive zone 4 highly doped with aluminum. This is followed by a weakly p-conductive zone 5, which consists of the original semiconductor material of the silicon wafer introduced into the alloy furnace.
On the surface there is a round 6 consisting essentially of the gold-silicon eutectic on a zone 7 doped with antimony and consequently n-conducting. An annular disk 8, which is also essentially made of the gold-silicon eutectic be, rests on a further n-conductive zone 9, which also has the shape of an annular disk. The molybdenum disk 2 is seen with a contact 10 ver, which is shown symbolically in the drawing as a lead conductor. The contact electrode 6 also has a contact 11. The annular disk 8 can, for. B. by fitzen, removed.
However, it can also be left on the semiconductor body.
The distance between the ring electrode 8 and the circular blank 6 is about 500 Et. The alloying process only changes the proportions of the individual parts of the arrangement insignificantly, so that the dimensioning of the applied film already provides a dimensioning of the finished semiconductor arrangement. The distance of the ring electrode 8 or the zone 9 from the pn junction emerging at the surface (outer border of the zone 7) is expediently chosen so that it amounts to one or more diffusion lengths of the minority carriers.
This can prevent the additionally applied zone from showing a transistor effect. In the case of a transistor, it is required that the distance between the emitter and the base is less than or equal to Y3 of the diffusion length. If you want to prevent the transistor effect, you will choose the distance of the additionally embedded zone from the pn junction greater than or equal to a diffusion length.
In the present case of a psn rectifier, this means that the distance between the ring electrode 8 and the circular blank 6 should be approximately in the range from 0.5 to 5 basic thicknesses, since the basic thickness, namely the linear distance between zones 4 and 7, is at optimal dimensioning of a psn rectifier should be about 2 diffusion lengths.
In operation of the semiconductor diode is at the contacts 10 and 11, an AC voltage. The diode only allows a forward current to flow in the direction from contact 10 to contact 11, while it blocks when the polarity of the alternating voltage is reversed at the pn junction located between zones 5 and 7. This reverse voltage is limited by various circumstances, in particular by the doping of the material and by the thickness of the zone 5. As already described, the reverse voltage is on the surface of the semiconductor body due to surface contamination, such as. B. moisture, and the field strength is limited.
By dividing the reverse voltage on the surface over several pn junctions it is achieved that the individual pn transition is much less stressed and thus the reverse voltage as a whole can be driven considerably higher, e.g. B. to 2000 V or higher.
In the embodiment according to FIG. 1, the voltage drop of the reverse voltage between the contacts 11 and 10 on the surface of the semiconductor body is carried essentially by the pn junction between the zones 5 and 7 and by the pn junction on the outer edge of the zone 9 .
In Fig. 2 another embodiment of the invention is shown, which can be produced in a manner similar to that according to FIG. 1 and which also has essentially the same structure. The same designations were chosen for the same parts.
Only the production of the zones of opposite conductivity type embedded in the surface of the semiconductor body was effected in a different manner in this example. Namely, an n-doping substance, for example phosphorus, was diffused into the weakly p-conductive zone 5 from the top of the semiconductor body, whereby a thin n-conductive zone is formed, which z. B. 1 to 10 [can be strong. This n-, conductive zone is divided into individual annular disk-shaped zones 14, 15 and 16 by the incorporation of interruptions 12 and 13. The recesses 12 and 13 can, for.
B. be made by etching or by mechanical incorporation. In operation, when the semiconductor diode is stressed in the reverse direction, there are three pn junctions connected in series on the surface of the semiconductor body, which lead to the desired division of the reverse voltage.
According to a further embodiment of the invention, the additionally applied zones can be connected to one of the contact electrodes via a resistor. This clearly defines their potential during operation and ensures that the individual pn junctions are evenly loaded. Such resistors are expediently placed in the housing of the encapsulated semiconductor device.
Fig. 3 shows a practical embodiment. It is a semiconductor arrangement according to FIG. 1. Added to this is only a resistor 17 of a few k S2, which is connected between the 6 and 8 contact electrodes. According to a further embodiment (see FIG. 4), this resistor can be designed as a thin resistance layer 18 which rests on the semiconductor surface and connects the individual zones to one another. Suitable for this are e.g. B. a vapor-deposited metal layer, an oxide layer, graphite or a metal-containing paint.
Zones of the opposite conductivity type embedded in one zone and encircling pn junctions of this type that come to the surface can also be produced in another way, for example by diffusion with the aid of masks annular part is covered. A further method of production can consist in applying a doping substance in the form of a paste to the semiconductor surface in the desired shape and then diffusing it into the semiconductor body by means of a heating process.
Such a diffusion with the aid of a paste can take place, for example, when the contact electrodes 3 and 6 are alloyed.
Of course, the invention is not limited to the embodiments described. So z. For example, in the case of a different structure of the semiconductor diode, a p-conductive zone can be embedded in the n-conductive semiconductor material, which then also ring-shaped the pn junction that comes to the surface. In order to increase the reverse voltage, the number of pn junctions connected in series can be increased practically as desired.
Other semiconductor arrangements with blocking pn junctions can also be constructed in the manner according to the invention; z. For example, in the case of transistors: in the vicinity of the collector-pn junction, such an embedded zone surrounding the pn junction can be attached. In four-layer arrangements, which z. B. used as current gates who can also, in particular at the middle pn junction, such additional zones are attached in the semiconductor body.
Another possibility for attaching an additional zone is that an example, rod-shaped semiconductor body of a conductivity type with a surface layer of the opposite conductivity type, for. B. by diffusion, will see ver. After being divided into disk-shaped bodies by cuts perpendicular to the rod axis, the semiconductor wafers obtained in this way are immediately provided with an edge zone of the opposite conductivity type.