Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit zwei aufeinanderfolgenden, entgegengesetzt gepolten, auf der Mantelfläche endenden ebenen pn-Obergängen, welches an seiner Mantelfläche zwei positive Anschrägungen besitzt.
Leistungshalbleiterbauelemente mit zwei aufÅananderfol- gen den, entgegengesetzt gepolten pn.Übergängen können z.B.
als Thyristoren Verwendung finden (vgl. z.B. Kühl, ETZ-A 89 (1968) 5. 131 - 135: Ref. 1), wobei ausser den genannten mindestens noch ein weiterer pn-Übergang vorgesehen ist, oder auch als Spannungsbegrenzer (vgl. zB. Lawatsch und Weisshaar, Brown Boveri Review September 1972, Vol. 59, 5.476 - 482: Ref. 2). Die pn.Übergänge bilden in der Praxis fast immer ebene Flächen, da nicht ebene pn-Übergangsflä- chen technologische und auch elektrische Schwierigkeiten ergeben.
Unter positiver Anschrägung wird eine derartige Neigung der Mantelfläche des Leistungshalbleiterbauelementes bgl. der Ebene des pn-Überganges verstanden, dass sich der Querschnitt des Elementes beim Fortschreiten über den metallurgischen pn-Übergang in die schwächer dotierte der beiden angrenzenden Zonen hinein verjüngt, oder anders: dass der Querschnitt des Elementes in der höher dotierten Zone grösser, und/oder in der niedriger dotierten Zone kleiner ist als in der Fläche des metallurgischen pn-Überganges (vgl. z B.
Davies und Gentry, IEEE Trans on El. Dev. Vol. ED-11, Juli 1964. 5. 313 - 323: Ref. 3; oder Cornu, IEEE Trans on El. Dev. Vol. ED-20, April 1973, 5. 347. 352: Ref. 4). Im urn gekehrten Fall spricht man von negativer Anschrägung .
Die Bezeichnungen postive und negative Anschrägung implizieren unsymmetrisch dotierte pn-Obergänge, d.h.
solche, bei welchen eine höher dotierte Zone an eine niedriger dotierte Zone angrenzt.
Die Anschrägung des Leistungshalbleiterbauelementes an der Mantelfläche hat den Zweck, die elektrische Feldstärke auf der Mantelfläche herabzusetzen, so dass ein allfälliger Durchbruch im Innern des Haibleiterelementes einsetzt, und nicht etwa von der Oberfläche aus eingeleitet wird. Ober flächendurchbrtiche sind sehr viel schwerer zu beherrschen und führen leicht zur Zerstörung des Elementes. Bei positiven Anschrägungen genügen Winkel von etwa 300 (Ref. 1, 5. 132, linke Spalte. 2. Absatz von unten), um einen Lawinendurchbruch mit Sicherheit im Volumen erfolgen zu lassen. Bei negativen Anschrägungen sind jedoch Winkel kleiner als 10 not wenig. um Spannungen von der Grössenordnung 3,5 kV sperren zu können.
Das hat einen ganz beachtlichen Verlust an ausnutzbarer Elementfläche zur Folge und bringt unter anderem auch Kühlungsprobleme, da die Anschrägung praktisch nicht mit einem Kühlkörper in Kontakt gebracht werden kann.
Es wurden deshalb schon diverse Lösungen bekannt, die die vorerwähnten Nachteile vermeiden sollen.
So schlug z.B. Köhl (Solid.State Electronics 1968, Vol. II, 5. 501 - 502: Ref. 5) eine mesaförmige Randkontur mit Doppelphase vor.
Otsuka (IEE Conf. Publ. No. 53, Part. 1(1969) 5. 32- 38: Ref. 6) schlug vor, in der Silizium-Tablette des Leistungshalbleiterbauelementes einen ringförmigen Graben vorzusehen, welcher den vorwärtssperrenden pn-Übergang so schneidet, dass die Querschnittfläche beim Fortschreiten vom pn-Übergang in die niedriger dotierte Zone hinein abnimmt.
Gerecke endlich (z.B. DT-OS 1 439215: Ref. 7) schlug schon Anfang 1962 eine schwalbenschwanzförmige Kontur des Halbleiterbauelementes vor.
Weitere Lösungsversuche in diesem Sinne sind bekannt z.B. aus der US-PS 3,575,644 (Ref. 8), und der DT-AS 1 251 440 (Ref. 9).
Keine der bekannten Lösungsmöglichkeiten konnte sich jedoch bis heute in der Praxis wirklich durchsetzen. Das hat seinen Grund wohl darin, dass alle bekannten Strukturen bei der Herstellung grosse technologische Probleme bereiten, und man ganz offensichtlich nicht übersah, in welchem Umfang durch die Strukturen Vorteile zu erzielen wären. Eine solche Kenntnis lag deshalb nicht vor, weil die für ein LÅastungs- halbleiterbauelement wichtigen Eigenschaften der bekannten Strukturen bisher theoretisch nicht erfassbar waren, da die Verhältnisse an solchen Strukturen nur durch Systeme komplexer und geschlossen nicht lösbarer Differentialgleichungen beschrieben werden können (vgl. z.B. Ref. 3 und 4).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleiterbauelement zu schaffen, das auch Spannungen von mehr als 3500 Volt sperrt, für das also ein Lawinendurchbruch erst für Sperrspannungen oberhalb 3500 V auftritt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei einem Leistungshalbleiterbauelement der eingangs genannten Art der mittlere Winkel der beiden Anschrägungen jeweils im Bereich von 300 bis 600 liegt,
Diese Lösung wurde aufgrund einer theoretischen Analyse der elektrischen Feldstärke an der Mantelfläche eines doppeltpositiv angeschrägten Elementes der eingangs genannten Art mittels elektronischer Rechenanlagen gefunden und experimentell verifiziert.
Sie bringt völlig überraschende und nicht voraussehbare Vorteile, die weiter unten im Anschluss an die Beschreibung von erläuternden Ausführungsbeispielen aufgeführt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch den Querschnitt eines doppelpositiv angeschrägten Leistungshalbleiterbauelementes nach der Erfindung, wobei insbesondere die pn-Übergänge ausserhalb der Anschrägung münden,
Fig. 2 den Querschnitt durch die Randkontur eines Leistungshalbleiterbauelementes, das experimentell bei Sperrspannungen von 6000 Volt untersucht wurde,
Fig. 3 die Ausbildung der Sperrschicht bei 4000 Volt in einem doppeltpositiv angeschrägten Element mit einem Winkel der beiden Anschrägungen von 30 ,
Fig. 4 die Verteilung der elektrischen Feldstärke in der Mantelfläche des in Fig 3 dargestellten Elementes,
Fig.
5 die Ausbildung der Sperrschicht bei 4000 Volt in einem doppeltpositiv angeschrägten Element mit Winkeln von jeweils 45 ,
Fig. 6 die sich für ein solches Element ergebenden Feldverteilungen,
Fig. 7 die Ausbildung der Sperrschichten bei 4000 Volt bei Anschrägungen von 14 , 450 und 64 ,
Fig. 8 die sich für die Konturen nach Fig. 7 ergebenden Feldverteilungen an der Mantelfläche,
Fig. 9 die Ausbildung der Sperrschichten bei 4000 Volt bei Anschrägungen von 300 und 45 , wobei jedoch die pn Übergänge ausserhalb der Anschrägungen auf der Mantelfläche münden,
Fig. 10 die sich für die Konturen nach Fig.
9 ergebenden Feldverteilungen an der Mantelfläche,
Fig. 11 die Ausbildung der Sperrschicht bei 10'ovo Volt und einem mittleren Winkel c" der Anschrägungen von 30 ,
Fig. 12 die sich für die Kontur nach Fig. 11 ergebende Feldverteilung an der Mantelfläche,
Fig. 13 eine Strom-Spannungs-Kennlinie bei 250C des Elementes nach Fig. 2, und
Fig. 14 eine Strom-Spannungs-Kennlinie bei 1250C des Ele mentes nach Fig. 2.
In Fig. list ein Thyristor mit Emitterkurzschlüssen (vgl.
z.B. A. Herlet in Sci. El. Vol. XII Fasc. 4 (1966) 5 105 - 122, 120: Ref. 10) dargestellt, der einen Kathodenanschluss K, einen Anodenanschluss A und einen Steueranschluss G aufweist. Ferner besitzt er eine von Nebenschlüssen durchbro chene n-dotierte Emitterzone En eine p-dotierte Steuerzone P1, eine n-dotierte Basis N, und eine p-dotierte anodenseitige Basiszone P2. Die Zonen P1 und P2 sind höher dotiert als die Zone N, die Zone En ist höher dotiert als die Zone P1. Die pn-Übergänge J1 und J2 münden in den Kreisen B1 und B2 auf der Mantelfläche M des Elementes. Das Element ist bzgl.
der Mittelachse Z rotationssymmetrisch.
Das dargestellte Element weist auf der Mantelfläche M im Bereich des pn-Überganges J1 eine positive Anschrägung A1, und im Bereich des pn-Überganges J2 eine positive Anschrägung A2 auf. Der mittlere Winkel lam der Anschrägungen A1 und A2 beträgt 450 Die durch die beiden Anschrägungen At und A2 entstehende umlaufende Kerbe liegt symmetrisch bezüglich der beiden pn-Übergänge J1 und J2. Aus noch zu erläuternden Gründen ist die Kerbe am Kerbengrund abgeflacht, so dass sie eine trapezförmige Gestalt aufweist mit einer kleineren Grundlinie der Höhe m.
Besonders bemerkenswert bei der dargestellten Struktur ist, dass die pn-Übergänge J1 und J2 ausserhalb der Anschrägungen A1 und Ao auf der Mantelfläche M münden.
Die in Fig. 2 dargestellte Randkontur ist die eines in dieser Form hergestellten und bei 6000 Volt untersuchten Sili- zium-Elementes. Da sie durch Sandstrahlen erzeugt wurde, sind die Anschrägungen A1 und A2 nicht eben. Der mittlere Winkel zm dieser Kontur ergibt sich dann z.B. dadurch, dass man, in gleichen Schritten vom Kerbengrund bis zur Stirnfläche des Elementes in X-Richtung fortschreitend, jeweils den Winkel a misst, und durch Summenbildung und Division durch die Anzahl der Schritte den mittleren Winkel a# ermittelt.
Zu im wesentlichen demselben Ergebnis kommt man, wenn man durch die von der Kontur gebildeten beiden Kurven nach der Methode der kleinsten Quadrate Gerade g, und g2 legt und deren Winkel gegenüber den pn-Übergängen J1 und J2 bestimmt.
Bemerkenswert ist ,dass die Geraden g1 und g2 eine zur Mittelachse Z parallele, tangential an den Kerbengrund gelegte Gerade g3 in zwei Punkten S1 und S2 schneiden, welche voneinander einen Abstand von mehr als 40 lym haben. Auch diese Tatsache wird weiter unten noch begründet werden.
Die Dicke w der Zone N ist 870 tm, die Dicke d der Zonen P1 und P2 ist jeweils etwa 90 lm, so dass sich für die gesamte Dicke h etwa 1050 #m ergeben. Der Radius R des Elementes beträgt 19 mm, sein Durchmesser also 38 mm.
Der spezifische Widerstand der Silizium-Tablette in der Zone N beträgt 220-260 Q cm. Die Tablette ist parallel zur (111)-Ebene geschnitten und mit Karborundum geläppt.
Zur Herstellung der Zonen P1 und P2 wurde die Silizium Tablette gleichzeitig mit Bor und Aluminium diffundiert.
Damit ergab sich an den Stirnflächen eine Konzentration des Bor von 5.102 cm-3, und des Aluminium von 5.1016 cm-3.
Die Diffusionstiefen betrugen 30 ##m bzw. 90 vm Die nach der Zimmermann-Methode [ Phys. stat. sol. (a) 12, 671(1972: Ref. 11 ] gemessene Lebensdauer der Träger in der Zone N betrug 30 bis w sec.
Warum die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Strukturen ein optimales Sperrverhalten aufweisen, und insbesondere für Sperrspannungen eingesetzt werden können, die bisher noch nie erreicht wurden, und auch unter vertretbarem Aufwand als nicht erreichbar galten, wird nachfolgend anhand der Figuren 3 - 12 erläutert:
Bekanntlich ergibt sich bei einfach positiven Anschrägungen (gestrichelte Linien in Fig. 3 und 4) auf der Mantelfläche ein Feldstärkeverteilung, deren Maximum tief in der niedriger dotierten Zone N liegt. Das Maximum wird umso kleiner, und läuft umso weiter vom pn-Übergang J1 weg, je kleiner der Winkel a gemacht wird. Bei Winkeln oberhalb etwa 600 liegt das Maximum am pn-Übergang Jl. Dies alles ist bekannt z.B. aus Ref. 3 und 4.
Wenn nun aber die Mantelfläche M des Elementes doppeltpositiv gemäss der Geometrie G1 angeschrägt ist, so werden die Verhältnisse sehr viel komplexer, weil nämlich die Sperrschicht, d.h. der Bereich zwischen den beiden schraffierten Bereichen, sich über den Kerbengrund hinaus ausdehnen muss.
Wie aufgrund von numerischen Rechnungen an einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage ermittelt wurde, deren Prinzipien in Ref. 4 dargestellt sind, entsteht dann neben dem durch die einfache Anschrägung beeinflussten Feldstärkemaximum ein zweites Maximum im Bereich des Kerbengrundes, genauer gesagt etwa dort, wo die Kontur ihren kleinsten Krümmungsradius hat.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, fallen bei einer Anschrägung von 300 die beiden genannten Maxima fast zusammen und es ergibt sich ein ziemlich breites Maximum gemäss Kurve E1.
Nach dieser Erkenntnis wird es klar, dass man den Feldstärkeverlauf verbessern kann, wenn man die beiden Maxima voneinander trennt, was dadurch möglich ist, dass man den Winkel a grösser wählt (das 1. Maximum läuft dann zum pn Übergang J1 hin), und den Ort grösster Krümmung möglichst weit weg vom pn-Übergang J1, J2 vorsieht.
Das wird anhand der Fig. 5 und 6 demonstriert:
In Fig. 5 sind eine tiefe Kerbe G2 und eine flache Kerbe G3 dargestellt, zu denen die Feldverläufe E2 und E3 in Fig. 6 gehören. Beide Kerben haben Anschrägungen von 450
Für die Geometrie G2 ergibt sich, dass in der Tat die zwei Feldstärkemaxima auseinandergezogen werden und damit, vgl. E2 in Fig. 6, eine flachere Feldstärkeverteilung resultiert.
Jedoch ist die maximale Feldstärke zwar kleiner als in Fig. 4, aber doch nicht wesentlich, da nämlich das Maximum der einfach positiven Anschrägung bei 450 grösser ist als bei 300.
Bei der Geometrie G3 ist nun der Ort maximaler Krümmung näher zum pn-Übergang J1 verschoben. Dadurch fallen jetzt das durch den grösseren Winkel a an sich grössere Maximum am pn-Übergang und das Maximum des Ortes maximaler Krümmung zusammen, was in diesem Falle zu einem sehr hohen Feldstärkemaximum führt (E3 in Fig. 6).
Die Einflüsse des Anschrägungswinkels a und des Ortes maximaler Krümmung sind übersichtlich in den Figuren 7 und 8 demonstriert, wo Geometrien G4, G5 und G6 mit Winkeln von 14 , 45 und 640 bei verschiedenen Kerbtiefen untersucht werden. Aus den zugehörigen Feldstärkekurven E4, Es und E6 der Fig. 8 ist ersichtlich, dass Winkel bei 450 für realistische Konturen am güngstigsten sind.
Bei der Geometrie G4 hat man zwar einen steilen Anschrägungswinkel (14 ) und entsprechend bei einfach positiver Anschrägung eine starke Herabsetzung des Feldstärkemaximums an der Oberfläche. Da man aber aus Gründen der mechanischen Stabilität das Einschneiden der Silizium-Tablette irgendwo begrenzen muss, und da bei kleinen Anschrägungswinkeln das erste Feldstärkemaximum bei einfachpositiver Anschrägung weit weg vom pn-Übergang liegt, gelingt es nicht, den Krümmungspunkt der Geometrie genügend weit weg von pn-Übergang zu legen.
Bei der Geometrie E6 liegt die maximale Krümmung im Zentrum der Tablette. Der Punkt der maximalen Feldstärke ist durch die einfachpositive Anschrägung bestimmt und liegt relativ nahe am pn-tYbergang. Der Anschrägungswinkel ist aber sehr flach (64 ) und die maximale Feldstärke bei einfach positiver Anschrägung ist nicht sehr stark reduziert.
Die Geometrie E5 (Anschrägungswinkel 45 ) liegt zwischen diesen beiden Extremen. Sie stellt nicht gerade das Optimum dar, zeigt aber, dass eine Optimierung möglicht ist.
Die bis jezt besprochenen Geometrien haben alle eine Anschrägung, die den pn-Übergang schneidet. Daraus ergibt sich, dass die Dicke der Ränder der Tablette durch die p- Eindringtiefe begrenzt ist. Aus Gründen der mechanischen Stabilität wäre eine Geometrie ohne diese Begrenzung vorzuziehen. Eine solche Geometrie ist in Fig. 9 gezeigt Die Kerbe befindet sich dabei nur in der Zone N. Auch in diesem Fall hat man zwei Feldstärkemaxima (Fig. 10). Das erste in der Nähe des pn-Überganges und das zweite am Punkt der stärksten konkaven Krümmung. Dazwischen gibt es noch eine konvexe Krümmung, die zu einer Herabsetzung der Fddstär- ke zwischen den beiden Maxima führt.
Bei der Geometrie G, ist die Feldstärke maximal am Punkt der stärksten Krümmung. Um diese Krümmung herabzusetzen, wurde in G8 der Anschrägungswinkel von 300 auf 450 erhöht. Die maximale Feldstärke liegt jetzt in der Nähe des pn-tÇberganges. Es ist klar, dass man bei dieser Geometrie zwei Parameter zur Verfügung hat, um eine Optimierung zu machen: Den Anschrägungswinkel und die Distanz des Ortes, an dem die Anschrägung beginnt, bis zum pn-tYbergang. Dadurch kann man ungefähr die selbe Feldstärke erreichen, wie bei den vorher besprochenen Geometrien.
In den Fig. 11 und 12 ist noch eine Struktur mit Randgeometrie G9 für eine Sperrspannung von 10000 Volt dargestellt, d.h. die Zone N weist nur eine Dotierung von ND = 8.35 1012 cm-3 auf, und die Dicke w der Zone N ist gleich der Dicke des in ihr befindlichen Teiles der Raumladungszone der Sperrschicht plus mindestens zwei Minoritätsträger-Diffu- sionslängen Lp. Die Einhaltung eines Sicherheitsabstândes von mindestens zwei Lp ist bekanntlich nötig, um den Sperrstrom so klein wie möglich zu halten, ehe ein Lawinendurchbruch stattfindet (vgl. z.B. Ref. 2, S. 478). Die resultierende Feldstärkeverteilung E9 ist in Fig. 12 dargestellt. Es wurde eine etwas kompliziertere Geometrie als in den Fig. 3, 5,7 und 9 gewählt.
Solche Geometrien wurden auch für 4 kV-Strukturen untersucht, ohne dass sich die Ergebnisse jedoch wesentlich geändert hätten.
Aus dem Vorstehenden ergeben sich die folgenden Rex sultate:
Die optimale Struktur eines hochsperrenden Leistungshalbleiterbauelementes der am Eingang beschriebenen Art zeichnet sich dadurch aus, dass das Leistungshalbleiterbauelement auf der Mantelfläche doppelpositiv angeschrägt ist mit Winkeln zwischen 300 und 600.
Vorzugsweise liegt der Anschrägungswinkel αm zwischen 400 und 450 Die Struktur reagiert weniger empfindlich auf grössere Winkel als auf kleine, bei denen die Feldstärlcemaximx leicht zusammenfallen.
Im Gegensatz zu den negativpositiv angeschrägten Elementen ist die durch die beiden Anschrägungen Al, A2 entstehende umlaufende Kerbe symmetrisch, da sich die Sperrschichten für beide pn-Übergänge Jl und J2 gleichartig ausbilden.
Von ganz besonderer Bedeutung ist, dass man das Leistungshalbleiterbauelement so ausbilden kann, dass die pn Übergänge J1 und J, ausserhalb der Anschrägungen Al, A2 auf der Mantelfläche M münden. Dabei muss man jedoch dafür sorgen, dass die Orte Kl, K2 (Fig. 1), wo die Mantelfläche M in die Anschrägungen Al und A2 übergeht, von den jeweils nächstgelegenen Mündungsorten B1 und B2 der pn Übergänge J1, J2 um höchstens 30% der Dicke w der Zone N entfernt sind. Würde man den Abstand Kl-Bl bzw. K2-B2 grösser wählen, so würde sich eine unerwünscht grosse 8rhö- hung des linken Maximums der Kurven E, und E8 in Fig. 10 ergeben.
Aufgrund dieser Kenntnisse kann man also ein Leistungshalbleiterbauelement herstellen, dessen Dicke von den Orten K1 und K2 bis zu den zugehörigen Stirnflächen z. B. 0,3.870 m 903#Lrfl = beträgt, wobei die Dicke der Kerbe dann nur etwa 260 m beträge. Ein solches Element ist technologisch sehr viel unproblematischer als die bekannten Eleo mente, bei welchen man die Ang bereits in den Zonen Pl, P2 also in wenigeralso9O#mTiefe von den Stirnfläche4 beginnen liess. Bei diesen bekannten Elementen bestand natürlich eine erhöhte Gefahr, dass der obere Randteil der Kerbe abbrÏclcelte.
Es ist jetzt auch klar, warum in den Fig.1 und2derKer- bengrund die Breite m > 40 m aufweisen soll. Damit wird vermieden, dass der Krümmungsradius so klein wird, dass das am Ort der maximalen Krümmung entstehende Feldstärke- maximum die für einen Lawinendurchbruch im Silizium- Element kritische Feldstärke übersteigt.
Andererseits darf m natürlich auch nicht zu gross werden, weil ja sonst das Feldstärkemaximum am Ort maximaler Krümmung zu nahe an das Maximum am pn-Übergang kommt. Man wird deshalb m zweckmässigerweise auch kleiner als 0.2 w wählen, so dass die sich ergebenden Kerbtiefen für ein 6 kV Element zwischen 150 und 850 liegen.
Wie die Untersuchungen gezeigt haben, hat das Dc tierungsproffl in den Zonen P1, P2 praktisch keinen Einfluss auf das Spemrerhalten des Elementes. Das leuchtet auch ein, da ja das Feldstärkemaximum immer in der Zone N liegt.
Das hat einen wichtigen technologischen Vorteil gegenüber negativ angeschrägten Elementen, da man dort für hohe Sperrxpsnnungen nicht nur unerträglich kleine Winkel verwenden muss, sondern auch ein flacheres Diffusionsprofil verwenden sollte, was aber wesen der damit verbundenen grös seren Diffusionszeiten nur bis zu einer gewissen Grenze tragbar ist.
Aus Vorstehendem ergibt sich, dass man mit gleichen Diffusionsprofilen und gleichen geometrischen Konturen praktisch den ganzen Bereich oberhalb 3500 Volt Sperrspannung beherrscht, bis hin zu 10'000 Volt oder mehr. Dabei muss lediglich die Dotierung der Zone N und die Dicke w derselben der beabsichtigten Spannung angepasst werden.
Insgesasnt ergibt sich eine Univeraalstruktur für Sperrspannungen von über 3,5 kV, wenn die Dotierung der Zone N zwischen den beiden pn-übergängen J1, J2 kleiner als 3,5.1013 cm-s ist und ihre Dicke w etwa gleich der Dicke des in ihr befindlichen Teils der Raumladungszone bei maximaler Spsrr- spannung plus mindestens zwei Minoritätsträger-Diffusionslängen ist, und wenn die durch die beiden Anschrägungen A1, A2 entstehende umlaufende Kerbe einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Neigungswinkel α
;m der Trapezschenkel zu den pn-Übergängen J1. J2 zwischen 400 und 450 liegen, und die Grundlinie am Kerbengrund mehr als 40 #m breit ist. Die Dicke w liegt in der Praxis zwischen etwa 400 um für 3,5 kV und bis zu 1500 #m für 10 kV, wobei diese Werte natürlich stark von dem jeweiligen Material abhängen, welches unterschiedliche Rekombinatiom- Zentren und damit unterschiedliche Diffusionslängen aufweisen kann. Als Faustformel kann man annehmen: w = höchste Sperrspannung (kV) X 100 m/kV + 2 X Diffusionslänge.
Ein besonders stabiles und leicht herstellbares Element ergibt sich, wie schon weiter oben gesagt, wenn die Mü.ndungs- orte B1 und B2 der pn-übergänge J1 und J2 ausserhalb der Anschrägungen Al und A2 münden, und zwar derart, dass die Distanz K2-B1 bzw. K2-B2 etwa 15-25% der Dicke w der Zone N betragen.
Die in Fig. 13 und 14 dargestellten Strom-Spannungs Kennlinien des Elementes nach Fig. 2 zeigen deutlich, dass das Element bis zu seiner Volumendurchbruchspannung von 6 kV belastet werden kann, ohne dass ein Obefflächendurch- bruch erfolgt. Bemerkenswert ist der sehr kleine Ordinatenmassstab, der die Feinheiten des Verlaufs des Sperrstromes zeigt. Eine Analyse der Kurven ergab, dass der gemessene Sperrstrom ausschliesslich durch thermische Paarbildung entsteht, und ein Beitrag von der Oberfläche nicht vorhanden ist.
Es ist noch zu bemerken, dass mit den Strukturen nach der Erfindung die elektrische Feldstärke auf der Mantelfläche M des Elementes nicht wesentlich unter 1,2.105 V/cm herab gesetzt werden kann, während bei negativen Anschrägungen Oberflächenfeldstärken von 0,7.102 V/cm erreicht werden.
Es konnte jedoch gezeigt werden (Ref. 4, Fig. 12), dass bei positiver Anschrägung Oberflächenfeldstärken bis zu 1,5.105 V/cm noch keine Verschlechterung der Rückwärtscharakteristik erbringen. Der niedrige Wert von 0,7.105 V/cm negativer Anschrägung ist auch nur deshalb nötig, weil dort ja dicht unterhalb der Oberfläche ein absolutes Feldstärkemaximum auftritt (Ref. 4, Fig. 4), dass bei Werten von mehr als 0,7.105 V/cm auf der Oberfläche den Wert für den Durchbruch im Volumen von etwa 2.105 V/cm übersteigt.
Zusammengefasst ergeben die Strukturen nach der Erfindung folgende überraschende, wichtige und überwiegend nicht voraussehbare Vorteile: ¯Es ergibt sich praktisch kein Verlust an aktiver Element fläche, da es ausreicht, die Kerbe nur etwa 0,5 mm tief zu machen. Demgegenüber haben negativ angeschrägte Ele mente Flächenverluste von rund 30%.
¯Die gleiche Geometrie der Randkontur kann praktisch für alle Sperrspannungen verwendet werden, während negativ angeschrägte Elemente für steigende Sperrspannung umso kleinere Winkel aufweisen müssen, wobei eine Sperrspan nung von etwa 3500 V praktisch nicht zu überschreiten ist.
¯Das Diffusionsprofil der Zonen P1, P2 ist unabhängig von der Sperrspannung, während man bei negativen Anschrä gungen zunehmend flache Profile und damit zunehmende
Diffusionszeiten für steigende Sperrspannungen hinneh men muss.
¯Für die für hohe Sperrspannungen nötige verminderte Do tierung der Zone N sinkt bei Strukturen nach der Erfin dung die Oberflächenfeldstärke. Demgegenüber steigt sie bei negativ angeschrägten Elementen.
¯Die Stirnflächen des Elementes können ohne überstehen den Rand mit den Kühlkörpern in Kontakt gebracht wer den, wodurch die Kühlprobleme verringert werden.
¯Es existiert kein Feldstärkemaximum, dass das Maximum für den Durchbruch im Volumen übersteigt, wie bei den negativ angeschrägten Elementen. Dieses bei den negativ angeschrägten Elemente vorhandene Maximum bewirkt ja bekanntlich, dass die theoretische Durchbruchspannung bei negativ angeschrägten Elementen nie erreicht werden kann. Bei den Strukturen nach der Erfindung ist aber die theoretische Durchbruchspannung erreichbar.
Abschliessend ist noch zu bemerken, dass die dem vorwärtsgepolten pn-Übergang (in den Beispielen J2) zugewandte Grenze der Sperrschicht die Tendenz haben kann, sich im Bereich der Kerbe zu diesem Übergang hin aufzubäumen. Das könnte zu einem Sperrschichtberührungs-Durchbruch (Punch Through) führen, was aber natürlich vermieden werden muss.
Es muss daher beachtet werden, dass eine Schicht auf der Mantelfläche M keine hohe Dielektrizitätskonstante hat.
PATENTANSPRUCH t
Leistungshalbleiterbauelement mit zwei aufeinanderfolgenden, entgegengesetzt gepolten, auf der Mantelfläche endenden ebenen pn-Obergängen, welches an seiner Mantelfläche zwei positive Anschrägungen besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Winkel (c",) der beiden Anschrägungen (A1, A2) jeweils im Bereich von 300 bis 600 liegt.
UNTERANSPRÜCHE
1. Leistungshalbleiterbauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Winkel (oc",) zwischen 400 und 450 liegt.
2. Leistungshalbleiterbauelement nach Patentanspruch 1 oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die beiden Anschrägungen (Al, A2) entstehende umlaufende Kerbe symmetrisch bezüglich der beiden pn-Übergänge (¯#, J2) ausgebildet ist.
3. Leistungshalbleiterbauelement nach Patentanspruch 1, oder einem der vorangehenden Unteransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pn-Übergänge (J1, J2) ausserhalb der Anschrägungen (A,, A2 > auf der Mantelfläche (M) des Halbleiterbauelementes enden.
4. Leistungshalbleiterbauelement nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Orte (K1, K2) wo die Mantelfläche (M) in eine Anschrägung (A1, A2) übergeht, von den jeweils nächstgelegenen Enden (B1, B2) eines pn-Überganges (J1. J2) auf der Mantelfläche (M) um höchstens 30% der Dicke (w) der Zone (N) zwischen den beiden pn-Übergängen (J1, J2) entfernt sind.
5. Leistungshalbleiterbauelement nach Patentanspruch 1 oder einem der vorangehenden Unteransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Anschrägungen (A1, A2) nach der Methode der kleinsten Quadrate gelegten, die Mittelachse (Z) des Leistungshalbleiterbauelementes schneidenden Geraden (g1, g < ) eine zur Mittelachse (Z) parallele, tangential an den Kerbengrund gelegte Gerade (g3) in zwei Punkten (ski, S2) schneiden, welche voneinander einen Abstand (m) von mindestens 40 ,,m aufweisen.
6. Leistungshalbleiterbauelement nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Abstand (m) nicht grösser ist als 20% der Dicke (w) der Zone (N) zwischen den beiden pn-Übergängen (J1, J < ).
7. Leistungshalbleiterbauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der Zone (N) zwischen den beiden pn-Übergängen (J1. 2) kleiner ist als 3,5.1012 cm- < und deren Dicke (w) zwischen 400 und 1500 liegt, und dass die durch die beiden Anschrägungen (A1, A < ) gebildete umlaufende Kerbe einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Neigungswinkel (ob",) der Trapezschenkel zu den pn-Übergängen (Js, J2) zwischen 40 und 450 liegen, und der Kerbengrund mehr als 40 breit ist.
8. Leistungshalbleiterbauelement nach den Unteransprüchen 3,4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Orte (K1, K2), wo die Mantelfläche (M) in eine Anschrägung (A1, A < ) übergeht, von dem jeweils nächstgelegenen Mündungsort (B1, B2) eines pn-Überganges (J1, J2) auf der Mantelfläche (M) um 15 - 25% der Dicke (w) der Zone (N) zwischen den beiden pn-Übergängen (J1, J2) entfernt sind.
PATENTANSPRUCH II
Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelementes nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die beiden Anschrägungen (A1, A < ) entstehende umlaufende Kerbe mittels Sandstrahlen hergestellt wird.
PATENTANSPRUCH III
Verwendung eines Leistungshalbleiterbauelementes nach Patentanspruch 1, für Sperrspannungen von über 3,5 kV.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
The invention relates to a power semiconductor component with two successive, oppositely polarized, planar pn transitions ending on the jacket surface, which has two positive bevels on its jacket surface.
Power semiconductor components with two consecutive, oppositely polarized pn transitions can e.g.
find use as thyristors (cf. e.g. Kühl, ETZ-A 89 (1968) 5. 131-135: Ref. 1), with at least one further pn junction being provided in addition to the ones mentioned, or as a voltage limiter (cf. e.g. Lawatsch and Weisshaar, Brown Boveri Review September 1972, Vol. 59, 5.476-482: Ref. 2). In practice, the pn transitions almost always form flat surfaces, since non-flat pn transition surfaces result in technological and electrical difficulties.
A positive bevel is understood to mean such an inclination of the outer surface of the power semiconductor component or the plane of the pn junction that the cross section of the element tapers as it progresses over the metallurgical pn junction into the more weakly doped of the two adjacent zones, or otherwise: that the cross section of the element in the more highly doped zone is larger and / or in the less doped zone is smaller than in the area of the metallurgical pn junction (see e.g.
Davies and Gentry, IEEE Trans on El. Dev. Vol. ED-11, July 1964. 5,313-323: Ref. 3; or Cornu, IEEE Trans on El. Dev. Vol. ED-20, April 1973, pp. 347,352: Ref. 4). In the opposite case, one speaks of a negative bevel.
The terms positive and negative bevel imply asymmetrically doped pn transitions, i.e.
those in which a more highly doped zone adjoins a less doped zone.
The bevel of the power semiconductor component on the jacket surface has the purpose of reducing the electric field strength on the jacket surface, so that any breakthrough in the interior of the semiconductor element begins and is not initiated from the surface. Surface breakthroughs are much more difficult to control and easily lead to the destruction of the element. With positive bevels, angles of about 300 (Ref. 1, 5.132, left column. 2nd paragraph from the bottom) are sufficient to ensure that an avalanche breakthrough can take place in the volume with certainty. With negative bevels, however, angles smaller than 10 are not enough. in order to be able to block voltages of the order of magnitude of 3.5 kV.
This results in a considerable loss of usable element area and, among other things, also brings cooling problems, since the bevel practically cannot be brought into contact with a heat sink.
Various solutions have therefore already been known which are intended to avoid the disadvantages mentioned above.
For example, Köhl (Solid.State Electronics 1968, Vol. II, 5. 501 - 502: Ref. 5) presented a mesa-shaped edge contour with a double phase.
Otsuka (IEE Conf. Publ. No. 53, Part. 1 (1969) 5. 32-38: Ref. 6) suggested providing an annular trench in the silicon tablet of the power semiconductor component, which trench intersects the forward blocking pn junction that the cross-sectional area decreases as it progresses from the pn junction into the lower doped zone.
Finally, Gerecke (e.g. DT-OS 1 439215: Ref. 7) proposed a dovetail-shaped contour for the semiconductor component as early as 1962.
Further attempted solutions in this sense are known e.g. from US-PS 3,575,644 (Ref. 8), and DT-AS 1 251 440 (Ref. 9).
However, none of the known possible solutions has really been implemented in practice to this day. This is probably due to the fact that all known structures cause major technological problems during production, and it was clearly not overlooked to what extent advantages could be achieved through the structures. Such knowledge was not available because the properties of the known structures, which are important for a load semiconductor component, could not previously be theoretically recorded, since the relationships in such structures can only be described by systems of complex and closed, non-solvable differential equations (see e.g. Ref. 3 and 4).
The present invention is based on the object of creating a power semiconductor component which also blocks voltages of more than 3500 volts, i.e. for which an avalanche breakdown only occurs for blocking voltages above 3500 volts.
This object is achieved according to the invention in that in a power semiconductor component of the type mentioned at the beginning, the mean angle of the two bevels is in the range from 300 to 600,
This solution was found on the basis of a theoretical analysis of the electric field strength on the lateral surface of a double-positive beveled element of the type mentioned above by means of electronic computers and verified experimentally.
It brings completely surprising and unforeseeable advantages, which are listed below after the description of illustrative exemplary embodiments.
In the following, exemplary embodiments of the invention are explained with reference to figures. It shows:
1 schematically shows the cross section of a double-positive beveled power semiconductor component according to the invention, with the pn junctions in particular opening outside the bevel,
2 shows the cross section through the edge contour of a power semiconductor component which was investigated experimentally at blocking voltages of 6000 volts,
3 shows the formation of the barrier layer at 4000 volts in a double-positive beveled element with an angle of the two bevels of 30,
4 shows the distribution of the electric field strength in the lateral surface of the element shown in FIG. 3,
Fig.
5 the formation of the barrier layer at 4000 volts in a double-positive beveled element with angles of 45 each,
6 shows the field distributions resulting for such an element,
7 shows the formation of the barrier layers at 4000 volts with bevels of 14, 450 and 64,
FIG. 8 shows the field distributions on the lateral surface resulting for the contours according to FIG. 7,
9 shows the formation of the barrier layers at 4000 volts with bevels of 300 and 45, but the pn junctions open outside the bevels on the lateral surface,
FIG. 10 which is suitable for the contours according to FIG.
9 resulting field distributions on the lateral surface,
11 shows the formation of the barrier layer at 10'ovo volts and an average angle c "of the bevels of 30,
FIG. 12 shows the field distribution on the lateral surface resulting for the contour according to FIG. 11,
13 shows a current-voltage characteristic curve at 250C of the element according to FIG. 2, and
14 shows a current-voltage characteristic curve at 1250C of the element according to FIG. 2.
In Fig. 1 a thyristor with emitter short circuits (cf.
e.g. A. Herlet in Sci. El. Vol. XII Fasc. 4 (1966) 5 105-122, 120: Ref. 10), which has a cathode connection K, an anode connection A and a control connection G. Furthermore, it has an n-doped emitter zone En which is broken through by shunts, a p-doped control zone P1, an n-doped base N, and a p-doped anode-side base zone P2. The zones P1 and P2 are more heavily doped than the zone N, the zone En is more heavily doped than the zone P1. The pn junctions J1 and J2 open into circles B1 and B2 on the surface M of the element. The element is regarding
the central axis Z is rotationally symmetrical.
The element shown has a positive bevel A1 on the lateral surface M in the area of the pn junction J1, and a positive bevel A2 in the area of the pn junction J2. The mean angle lam of the bevels A1 and A2 is 450. The circumferential notch created by the two bevels At and A2 is symmetrical with respect to the two pn junctions J1 and J2. For reasons to be explained, the notch is flattened at the notch base so that it has a trapezoidal shape with a smaller base line of height m.
It is particularly noteworthy in the structure shown that the pn junctions J1 and J2 open on the lateral surface M outside the bevels A1 and Ao.
The edge contour shown in FIG. 2 is that of a silicon element produced in this form and examined at 6000 volts. Since it was created by sandblasting, the chamfers A1 and A2 are not flat. The mean angle zm this contour then results e.g. by measuring the angle a in equal steps from the bottom of the notch to the face of the element in the X direction, and calculating the mean angle a # by adding up and dividing by the number of steps.
Essentially the same result is obtained if straight lines g 1 and g 2 are laid through the two curves formed by the contour using the least squares method and their angles with respect to the pn junctions J1 and J2 are determined.
It is noteworthy that the straight lines g1 and g2 intersect a straight line g3, which is parallel to the central axis Z and placed tangentially to the base of the notch, at two points S1 and S2, which are spaced apart by more than 40 lym. This fact will also be justified further below.
The thickness w of zone N is 870 μm, the thickness d of zones P1 and P2 is approximately 90 lm each, so that approximately 1050 μm result for the entire thickness h. The radius R of the element is 19 mm, so its diameter is 38 mm.
The specific resistance of the silicon tablet in zone N is 220-260 Ω cm. The tablet is cut parallel to the (111) plane and lapped with carborundum.
To produce the zones P1 and P2, the silicon tablet was simultaneously diffused with boron and aluminum.
This resulted in a concentration of boron of 5.102 cm-3 at the end faces and of 5.1016 cm-3 of aluminum.
The diffusion depths were 30 ## m and 90 μm, respectively, according to the Zimmermann method [Phys. stat. sol. (a) 12, 671 (1972: Ref. 11] measured lifetime of the carriers in zone N was 30 to w sec.
Why the structures shown in FIGS. 1 and 2 have an optimal blocking behavior and can be used in particular for blocking voltages that have never been achieved before and that were considered to be unachievable even with reasonable effort is explained below with reference to FIGS. 3 - 12:
It is known that with single positive bevels (dashed lines in FIGS. 3 and 4) there is a field strength distribution on the lateral surface, the maximum of which is deep in the lower doped zone N. The maximum becomes smaller and runs away from the pn junction J1, the smaller the angle α is made. At angles above about 600, the maximum is at the pn junction J1. All this is known e.g. from Ref. 3 and 4.
If, however, the outer surface M of the element is bevelled double-positive according to the geometry G1, the situation becomes much more complex, because the barrier layer, i.e. the area between the two hatched areas must extend beyond the base of the notch.
As was determined on the basis of numerical calculations on an electronic data processing system, the principles of which are shown in Ref. 4, in addition to the field strength maximum influenced by the simple bevel, a second maximum then arises in the area of the notch base, more precisely where the contour has its smallest radius of curvature Has.
As can be seen from FIG. 4, the two maxima mentioned almost coincide with a bevel of 300, and a fairly broad maximum results according to curve E1.
After this knowledge it becomes clear that the field strength curve can be improved if the two maxima are separated from each other, which is possible by choosing the angle a larger (the 1st maximum then runs towards the pn junction J1) and the Place of greatest curvature as far away as possible from the pn junction J1, J2.
This is demonstrated on the basis of FIGS. 5 and 6:
In FIG. 5, a deep notch G2 and a shallow notch G3 are shown, to which the field profiles E2 and E3 in FIG. 6 belong. Both notches have 450 chamfers
For the geometry G2 it results that in fact the two field strength maxima are pulled apart and thus, cf. E2 in FIG. 6, a flatter field strength distribution results.
However, although the maximum field strength is smaller than in FIG. 4, it is not essential since the maximum of the single positive bevel is greater at 450 than at 300.
In the case of the geometry G3, the location of maximum curvature is now shifted closer to the pn junction J1. As a result, the maximum at the pn junction, which is greater per se due to the larger angle a, and the maximum at the location of maximum curvature now coincide, which in this case leads to a very high field strength maximum (E3 in FIG. 6).
The influences of the bevel angle α and the location of maximum curvature are clearly demonstrated in FIGS. 7 and 8, where geometries G4, G5 and G6 with angles of 14, 45 and 640 at different notch depths are examined. It can be seen from the associated field strength curves E4, Es and E6 in FIG. 8 that angles at 450 are most favorable for realistic contours.
In the case of geometry G4, there is a steep bevel angle (14) and, accordingly, with a single positive bevel, a strong reduction in the field strength maximum at the surface. However, since the incision of the silicon tablet has to be limited somewhere for reasons of mechanical stability, and since with small bevel angles the first field strength maximum with single-positive bevel is far away from the pn junction, it is not possible to move the point of curvature of the geometry sufficiently far away from pn -Transition to lay.
In the case of the E6 geometry, the maximum curvature is in the center of the tablet. The point of maximum field strength is determined by the single positive bevel and is relatively close to the pn-t transition. However, the bevel angle is very flat (64) and the maximum field strength in the case of a single positive bevel is not very much reduced.
The geometry E5 (bevel angle 45) lies between these two extremes. It does not exactly represent the optimum, but shows that optimization is possible.
The geometries discussed up to now all have a bevel that intersects the pn junction. It follows that the thickness of the edges of the tablet is limited by the p-penetration depth. For reasons of mechanical stability, a geometry without this limitation would be preferable. Such a geometry is shown in FIG. 9. The notch is only located in zone N. In this case, too, there are two field strength maxima (FIG. 10). The first in the vicinity of the pn junction and the second at the point of the greatest concave curvature. In between there is a convex curvature which leads to a reduction in the thickness of the Fdd between the two maxima.
With geometry G, the field strength is maximal at the point of greatest curvature. To reduce this curvature, the bevel angle in G8 was increased from 300 to 450. The maximum field strength is now close to the pn-junction. It is clear that with this geometry there are two parameters available to make an optimization: the bevel angle and the distance from the place where the bevel begins to the pn-t transition. In this way one can achieve approximately the same field strength as with the geometries discussed above.
FIGS. 11 and 12 also show a structure with edge geometry G9 for a reverse voltage of 10,000 volts, i.e. zone N has only a doping of ND = 8.35 1012 cm-3, and the thickness w of zone N is equal to the thickness of the part of the space charge zone of the barrier layer located in it plus at least two minority carrier diffusion lengths Lp. As is well known, it is necessary to maintain a safety distance of at least two Lp in order to keep the reverse current as small as possible before an avalanche breakdown occurs (see e.g. Ref. 2, p. 478). The resulting field strength distribution E9 is shown in FIG. A somewhat more complicated geometry than in FIGS. 3, 5, 7 and 9 was chosen.
Such geometries have also been investigated for 4 kV structures, but the results have not changed significantly.
From the above, the following Rex results result:
The optimal structure of a high-blocking power semiconductor component of the type described at the beginning is characterized in that the power semiconductor component is beveled double-positive on the lateral surface with angles between 300 and 600.
Preferably, the taper angle α m is between 400 and 450. The structure is less sensitive to larger angles than to small ones at which the maximum field strengths coincide slightly.
In contrast to the negative-positive beveled elements, the circumferential notch created by the two bevels A1, A2 is symmetrical, since the barrier layers for both pn junctions J1 and J2 are formed identically.
It is of particular importance that the power semiconductor component can be designed in such a way that the pn junctions J1 and J open onto the lateral surface M outside the bevels A1, A2. However, it must be ensured that the locations Kl, K2 (Fig. 1), where the lateral surface M merges into the bevels Al and A2, from the respectively closest opening points B1 and B2 of the pn transitions J1, J2 by a maximum of 30% Thickness w of zone N are removed. If the distance K1-B1 or K2-B2 were chosen to be larger, this would result in an undesirably large increase in the left maximum of curves E and E8 in FIG.
On the basis of this knowledge, one can therefore produce a power semiconductor component whose thickness extends from locations K1 and K2 to the associated end faces z. B. 0.3.870 m 903 # Lrfl =, whereby the thickness of the notch is then only about 260 m. Technologically, such an element is much less problematic than the known elements, in which the Ang was already started in the zones P1, P2 that is less than 90 # mdepth from the end face4. With these known elements there was of course an increased risk that the upper edge part of the notch would break off.
It is now also clear why the notch base in FIGS. 1 and 2 should have the width m> 40 m. This prevents the radius of curvature from becoming so small that the maximum field strength arising at the location of the maximum curvature exceeds the critical field strength for an avalanche breakdown in the silicon element.
On the other hand, m must of course not become too large, because otherwise the maximum field strength at the location of maximum curvature will come too close to the maximum at the pn junction. It is therefore expedient to choose m smaller than 0.2 w so that the resulting notch depths for a 6 kV element are between 150 and 850.
As the investigations have shown, the certification profile in zones P1, P2 has practically no influence on the blocking of the element. This also makes sense, since the field strength maximum is always in zone N.
This has an important technological advantage compared to negatively angled elements, because there you not only have to use unbearably small angles for high blocking expansions, but also use a flatter diffusion profile, which, however, is only tolerable up to a certain limit due to the associated larger diffusion times .
From the above, it follows that with the same diffusion profiles and the same geometric contours, practically the entire range above 3500 volts reverse voltage can be mastered, up to 10,000 volts or more. Only the doping of zone N and the thickness w of the same have to be adapted to the intended voltage.
All in all, there is a universal structure for reverse voltages of over 3.5 kV if the doping of zone N between the two pn junctions J1, J2 is less than 3.5.1013 cm-s and its thickness w is approximately equal to the thickness of the area in it Is part of the space charge zone at maximum voltage plus at least two minority carrier diffusion lengths, and if the circumferential notch created by the two bevels A1, A2 has an essentially trapezoidal cross-section, the angles of inclination?
; m the trapezoid leg to the pn junctions J1. J2 should be between 400 and 450, and the baseline at the bottom of the notch is more than 40 #m wide. The thickness w is in practice between about 400 μm for 3.5 kV and up to 1500 μm for 10 kV, these values of course strongly depending on the respective material, which can have different recombination centers and thus different diffusion lengths. As a rule of thumb you can assume: w = highest reverse voltage (kV) X 100 m / kV + 2 X diffusion length.
A particularly stable and easy to manufacture element results, as already stated above, when the junction points B1 and B2 of the pn junctions J1 and J2 open outside the bevels A1 and A2, in such a way that the distance K2- B1 and K2-B2 are approximately 15-25% of the thickness w of zone N.
The current-voltage characteristics of the element according to FIG. 2 shown in FIGS. 13 and 14 clearly show that the element can be loaded up to its volume breakdown voltage of 6 kV without a surface breakdown occurring. The very small ordinate scale, which shows the subtleties of the course of the reverse current, is remarkable. An analysis of the curves showed that the measured reverse current is generated exclusively by thermal pair formation and that there is no contribution from the surface.
It should also be noted that with the structures according to the invention, the electric field strength on the surface M of the element cannot be reduced significantly below 1.2.105 V / cm, while surface field strengths of 0.7.102 V / cm are achieved with negative bevels .
However, it could be shown (Ref. 4, Fig. 12) that with a positive bevel surface field strengths of up to 1.5.105 V / cm do not result in any deterioration in the backward characteristic. The low value of 0.7.105 V / cm of negative bevel is only necessary because there is an absolute field strength maximum just below the surface (Ref. 4, Fig. 4), that at values of more than 0.7.105 V / cm on the surface exceeds the value for the breakthrough in volume of about 2.105 V / cm.
In summary, the structures according to the invention result in the following surprising, important and predominantly unforeseeable advantages: There is practically no loss of active element area, since it is sufficient to make the notch only about 0.5 mm deep. In contrast, negatively inclined elements have a loss of space of around 30%.
¯The same geometry of the edge contour can be used for practically all blocking voltages, while negatively tapered elements must have smaller angles for increasing blocking voltages, whereby a blocking voltage of about 3500 V is practically not to be exceeded.
¯The diffusion profile of zones P1, P2 is independent of the reverse voltage, while negative bevels result in increasingly flat profiles and thus increasing
Diffusion times for rising blocking voltages must be accepted.
¯For the reduced doping of zone N, which is necessary for high reverse voltages, the surface field strength of structures according to the invention is reduced. In contrast, it increases with negatively tapered elements.
¯The end faces of the element can be brought into contact with the heat sinks without protruding from the edge, which reduces cooling problems.
¯There is no field strength maximum that exceeds the maximum for the breakthrough in the volume, as with the negatively angled elements. As is well known, this maximum present in the negatively angled elements has the effect that the theoretical breakdown voltage can never be reached in the case of negatively angled elements. With the structures according to the invention, however, the theoretical breakdown voltage can be achieved.
Finally, it should also be noted that the boundary of the barrier layer facing the forward-polarized pn junction (in examples J2) can have the tendency to bulge towards this junction in the area of the notch. This could lead to a barrier layer punch through, but this must of course be avoided.
It must therefore be noted that a layer on the lateral surface M does not have a high dielectric constant.
PATENT CLAIM t
Power semiconductor component with two successive, oppositely polarized, planar pn transitions ending on the jacket surface, which has two positive bevels on its jacket surface, characterized in that the mean angle (c ",) of the two bevels (A1, A2) is in the range of 300 to 600.
SUBCLAIMS
1. Power semiconductor component according to claim 1, characterized in that the mean angle (oc ",) is between 400 and 450.
2. Power semiconductor component according to claim 1 or dependent claim 1, characterized in that the circumferential notch created by the two bevels (Al, A2) is symmetrical with respect to the two pn junctions (¯ #, J2).
3. Power semiconductor component according to claim 1, or one of the preceding subclaims, characterized in that the pn junctions (J1, J2) end outside the bevels (A ,, A2> on the lateral surface (M) of the semiconductor component.
4. Power semiconductor component according to dependent claim 3, characterized in that the places (K1, K2) where the lateral surface (M) merges into a bevel (A1, A2) from the respectively closest ends (B1, B2) of a pn junction (J1 . J2) on the lateral surface (M) are removed by at most 30% of the thickness (w) of the zone (N) between the two pn junctions (J1, J2).
5. Power semiconductor component according to claim 1 or one of the preceding dependent claims, characterized in that the straight lines (g1, g <) which intersect the central axis (Z) of the power semiconductor component and which intersect the central axis (Z) of the power semiconductor component through the bevels (A1, A2) are a to Central axis (Z) intersect parallel straight lines (g3) placed tangentially to the base of the notch in two points (ski, S2) which are at a distance (m) of at least 40 m from each other.
6. Power semiconductor component according to dependent claim 5, characterized in that said distance (m) is not greater than 20% of the thickness (w) of the zone (N) between the two pn junctions (J1, J <).
7. Power semiconductor component according to claim 1, characterized in that the doping of the zone (N) between the two pn junctions (J1. 2) is less than 3.5.1012 cm- <and its thickness (w) is between 400 and 1500, and that the circumferential notch formed by the two bevels (A1, A <) has an essentially trapezoidal cross-section, the angles of inclination (ob ",) of the trapezoid legs to the pn junctions (Js, J2) being between 40 and 450, and the bottom of the notch is more than 40 wide.
8. Power semiconductor component according to the dependent claims 3, 4 and 7, characterized in that the locations (K1, K2) where the lateral surface (M) merges into a bevel (A1, A <), from the respectively closest point of opening (B1, B2 ) of a pn junction (J1, J2) on the lateral surface (M) are removed by 15-25% of the thickness (w) of the zone (N) between the two pn junctions (J1, J2).
PATENT CLAIM II
Method for producing a power semiconductor component according to claim 1, characterized in that the circumferential notch created by the two bevels (A1, A <) is produced by sandblasting.
PATENT CLAIM III
Use of a power semiconductor component according to patent claim 1 for blocking voltages of over 3.5 kV.
** WARNING ** End of DESC field could overlap beginning of CLMS **.