CH676402A5

CH676402A5 - Solid state pinch diode - has three zone structure with channel form and schottky electrode regions

Info

Publication number: CH676402A5
Application number: CH442888A
Authority: CH
Inventors: Erich Dr Halder
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1991-01-15

Abstract

The solid state pinch diode has three impregnated zones. A high impregnated zone (3) is located between an electrode (4) and a substrate (11) that is of a low impregnated zone (5) of the same conductive type as the first zone (3). The third zone is in the form of channels (6.1 - 6.3) of a second type and PN transfer regions are available (7.1 - 7.3). The ends have electrodes (9) of a schottky contact form and these are also located in the channels (11.1 - 11.3). The surfaces (8) provide boundaries for the elements. ADVANTAGE - Main surface structure provides zone boundaries.

Description

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CH 676 402 A5 CH 676 402 A5

2 2nd

Beschreibung description

Technisches Gebiet Technical field

Die Erfindung betrifft eine Pinch-Diode, umfassend ein Halbleitersubstrat mit einer hochdotierten ersten Zone eines ersten Leitungstyps, welche an einer ersten Hauptfläche von einer ersten Elektrode kontaktiert wird, einer niedrigdotierten zweiten Zone des ersten Leitungstyps, welche an die erste Zone angrenzt, und einer oder mehreren hochdotierten dritten Zonen eines zweiten Leitungstyps, welche einerseits an eine zweite Hauptfläche des Halbleitersubstrats angrenzen und dort von einer zweiten Elektrode kontaktiert werden und andererseits mit der zweiten Zone ein oder mehrere PN-Uebergänge bilden, wober die zweite Zone zumindest an einer Stelle durch die dritte Zone kanalartig hindurchdringt, um mit der zweiten Elektrode an der zweiten Hauptfläche einen Schotte-Kontakt zu bilden. The invention relates to a pinch diode comprising a semiconductor substrate having a highly doped first zone of a first conductivity type, which is contacted on a first main surface by a first electrode, a lightly doped second zone of the first conductivity type, which adjoins the first zone, and or a plurality of highly doped third zones of a second conductivity type, which on the one hand adjoin a second main surface of the semiconductor substrate and are contacted there by a second electrode and on the other hand form one or more PN junctions with the second zone, the second zone being at least at one point by the third Zone penetrates like a channel to form a bulkhead contact with the second electrode on the second main surface.

Stand der Technik State of the art

Eine Pinch-Diode der eingangs genannten Art ist z.B. aus den Veröffentlichungen «New concepts in power rectifiers», A pinch diode of the type mentioned at the beginning is e.g. from the publications «New concepts in power rectifiers»,

B.J, Baliga, Proc. 3rd int. Workshop Physics of Semiconductor devices, 1985, pp.471-481, und «The pinch rectifier: A low-forward-drop high-speed power diode», B.J. Baliga, IEEE Electron Device Letter, Vol. EDL-5 No. 6,1984, pp.194-196, bekannt. B.J, Baliga, Proc. 3rd int. Workshop Physics of Semiconductor devices, 1985, pp.471-481, and "The pinch rectifier: A low-forward-drop high-speed power diode", B.J. Baliga, IEEE Electron Device Letter, Vol. EDL-5 No. 6.1984, pp.194-196.

Bei diesem Bauelement geht es darum, die Eigenschaften der PIN-Diode mit denjenigen der Schott-ky-Diode vorteilhaft zu kombinieren. The purpose of this component is to advantageously combine the properties of the PIN diode with those of the Schott ky diode.

Bekanntlich müssen beim Einsatz einer Schottky-Diode die Vorteile hinsichtlich einstellbarer Schwellenspannung und kurzer Schaltzeit durch die in der Leistungselektronik gewichtigen Nachteile wie z.B. sanfte Durchbruchcharakteristik und hohe Rückwärtsströme erkauft werden. As is known, when using a Schottky diode, the advantages with regard to adjustable threshold voltage and short switching times must be due to the major disadvantages in power electronics, e.g. soft breakthrough characteristics and high reverse currents can be bought.

J.B. Baliga hat nun in den genannten Veröffentlichungen eine kombinierte Schottky-PIN-Struktur vorgeschlagen, bei welcher abwechslungsweise PIN-artige und Schotte-artige Gebiete nebeneinander angeordnet sind. Beim Anlegen einer Rückwärtsspannung' schnüren die Raumladungszonen zweier benachbarter PIN-Strukturen die dazwischen liegende Schotte-Struktur ab. Dadurch wird das Sperrverhalten der Schotte-Strukturen verbessert. J.B. Baliga has now proposed a combined Schottky-PIN structure in the publications mentioned, in which PIN-like and Schott-like areas are alternately arranged side by side. When a reverse voltage is applied, the space charge zones of two adjacent PIN structures pinch off the bulkhead structure in between. This improves the barrier behavior of the bulkhead structures.

Für die Praxis der Leistungselektronik sind aber die Rückwärtsströme solcher Pinch-Dioden immer noch zu gross. However, the reverse currents of such pinch diodes are still too large for the practice of power electronics.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Pinch-Diode, umfassend ein Halbieitersubstrat mit einer hochdotierten ersten Zone eines ersten Leitungstyps, welche an einer ersten Hauptfläche von einer ersten Elektrode kontaktiert wird, einer niedrigdotierten zweiten Zone des ersten Leitungstyps, welche an die erste Zone angrenzt, und einer oder mehreren hochdotierten dritten Zonen eines zweiten Leitungstyps, welche einerseits an eine zweite Hauptfläche des Halbleitersubstrats angrenzen und dort von einer zweiten Elektrode kontaktiert werden und andererseits mit der zweiten Zone ein oder mehrere PN-Uebergänge bilden, wobei die zweite Zone zumindest an einer Stelle durch die dritte Zone kanalartig hindurchdringt, um mit der zweiten Elektrode an der zweiten Hauptfläche einen Schottky-Kontakt zu bilden, zu schaffen, welche ein verbessertes Sperrverhalten und insbesondere geringere Rückwärtsströme aufweist. The object of the invention is therefore to provide a pinch diode comprising a semiconductor substrate with a highly doped first zone of a first conductivity type, which is contacted on a first main surface by a first electrode, a low-doping second zone of the first conductivity type, which adjoins the first zone , and one or more highly doped third zones of a second conductivity type, which on the one hand adjoin a second main surface of the semiconductor substrate and are contacted there by a second electrode and on the other hand form one or more PN junctions with the second zone, the second zone at least on one Point through the third zone penetrates in a channel-like manner in order to form a Schottky contact with the second electrode on the second main surface, which has an improved blocking behavior and in particular lower reverse currents.

Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass bei einer solchen Pinch-Diode die zweite Hauptfläche des Halbleitersubstrats mit Gräben und Fingern derart strukturiert ist, dass der Schotte-Kontakt zwischen zweiter Zone und zweiter Elektrode stets auf einen Finger zu liegen kommt, und die dritte Zone von den Gräben her in das Halbleitersubstrat eindringt. According to the invention, the solution is that with such a pinch diode, the second main surface of the semiconductor substrate is structured with trenches and fingers in such a way that the bulkhead contact between the second zone and the second electrode always lies on one finger, and the third zone of the trenches penetrate into the semiconductor substrate.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass durch die Strukturierung der zweiten Hauptfläche der Durchgriff des elektrischen Feldes (welches bei Polung in Sperrichtung in der niedrigdotierten zweiten Zone vorhanden ist) zum Schotte-Kontakt unterbunden wird. The essence of the invention is that the structuring of the second main surface prevents penetration of the electrical field (which is present in the reverse direction in the low-doped second zone in the case of reverse polarity) to the bulkhead contact.

Gleichzeitig beanspruchen die PIN-artigen Bereiche gegenüber den Schotte-artigen Bereichen weniger Fläche als es bisher nötig war. Dies hat seinen Grund darin, dass die Tiefe des PN-Uebergan-ges, und damit die Länge der kanalartigen Durchgänge, nicht mehr allein durch den bei der Hersteilung nötigen Diffusionsprozess bestimmt ist. At the same time, the PIN-like areas take up less space than the bulkhead-like areas than was previously necessary. The reason for this is that the depth of the PN junction, and thus the length of the channel-like passageways, is no longer determined solely by the diffusion process required during manufacture.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Advantageous embodiments of the invention result from the dependent patent claims.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Brief description of the drawing

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Aus-führungsbeispielen und im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments and in connection with the drawing. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin-dungsgemässen Pinch-Diode; 1 shows a schematic illustration of a pinch diode according to the invention;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausfuhrungsform, bei welcher zur Erzeugung einer elektrisch zusammenhängenden zweiten Elektrode die Gräben rampenförmig auslaufen; und 2 shows a schematic illustration of an embodiment in which the trenches run out in a ramp shape in order to produce an electrically connected second electrode; and

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, bei welcher zur Erzeugung einer elektrisch zusammenhängenden zweiten Elektrode die Wände der Gräben mit einer Metallisierung bedeckt sind. 3 shows a schematic representation of an embodiment in which the walls of the trenches are covered with a metallization in order to produce an electrically connected second electrode.

Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of Carrying Out the Invention

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Ein Halbleitersubstrat 1 weist drei dotierte Zonen auf. 1 shows a preferred embodiment of the invention. A semiconductor substrate 1 has three doped zones.

Eine hochdotierte erste Zone 3 eines ersten Leitungstyps grenzt an eine erste Hauptfläche 2 des A highly doped first zone 3 of a first conductivity type borders on a first main surface 2 of the

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Halbleitersubstrats 1 und wird dabei von einer ersten Elektrode 4 ohmsch kontaktiert. Semiconductor substrate 1 and is contacted ohmic by a first electrode 4.

Eine niedrigdotierte zweite Zone 5 vom gleichen Leitungstyp wie die erste Zone 3 liegt zwischen der ersten Zone 3 und ein oder mehreren dritten Zonen 6.1, 6.2, 6.3 eines zweiten Leitungstyps. Dabei werden zwischen zweiter und dritten Zonen 5 resp. 6.1, 6.2,6.3 PN-Uebergänge 7.1,7.2,7.3 gebildet. A low-doped second zone 5 of the same line type as the first zone 3 lies between the first zone 3 and one or more third zones 6.1, 6.2, 6.3 of a second line type. Here, between the second and third zones 5 respectively. 6.1, 6.2.6.3 PN transitions 7.1.7.2.7.3 are formed.

Die hochdotierten dritten Zonen 6.1, 6.2, 6.3 grenzen an eine zweite Hauptfläche 8 des Halbleitersubstrats 1 und werden dabei von einer zweiten Elektrode 9 ohmsch kontaktiert. The heavily doped third zones 6.1, 6.2, 6.3 adjoin a second main surface 8 of the semiconductor substrate 1 and are ohmic contacted by a second electrode 9.

Vorzugsweise ist die erste Zone 3 eine ^-dotierte Zone, die zweite Zone 5 eine n_-dotierte Zone und die dritte Zone 6.1, 6.2, 6.3 jeweils eine p+-do-tierte Zone. The first zone 3 is preferably a ^ -doped zone, the second zone 5 is an n_-doped zone and the third zone 6.1, 6.2, 6.3 each is a p + -doped zone.

Bereichsweise, zumindest aber an einer Stelle, dringt die niedrigdotierte zweite Zone 5 kanalartig durch die dritte Zone 6.1, 6.2, 6.3 hindurch und bildet mit der zweiten Elektrode 9 einen Schotte-Kontakt 10. In regions, but at least at one point, the low-doped second zone 5 penetrates like a channel through the third zone 6.1, 6.2, 6.3 and forms a bulkhead contact 10 with the second electrode 9.

Erfindungsgemäss weist die zweite Hauptfläche 8 eine vertikale Strukturierung auf. Und zwar sind mehrere, im wesentlichen parallel zueinander liegende, längliche Gräben 11.1,11.2,11.3 vorgesehen, welche durch Finger 12.1, 12.2, 12.3 einer gegebenen Breite B voneinander getrennt werden. Die dritte Zone 6.1, 6.2, 6.3 dringt jeweils vom Boden und den Wänden der Gräben 11.1.11.2,11.3 in das Halbieitersubstrat 1 ein. Der Schottky-Kontakt 10 zwischen zweiter Zone 5 und zweiter Elektrode 9 befindet sich stets auf der Oberfläche eines Fingers 12.1, 12.2,12.3. According to the invention, the second main surface 8 has a vertical structure. Specifically, a plurality of elongate trenches 11.1, 11.2, 11.3 lying essentially parallel to one another are provided, which are separated from one another by fingers 12.1, 12.2, 12.3 of a given width B. The third zone 6.1, 6.2, 6.3 penetrates into the semi-conductor substrate 1 from the bottom and the walls of the trenches 11.1.11.2, 11.3. The Schottky contact 10 between the second zone 5 and the second electrode 9 is always on the surface of a finger 12.1, 12.2, 12.3.

Die Pinch-Diode hat also mehrere, abwechslungsweise nebeneinander angeordnete PIN- und Schottky-Dioden. Wenn die Pinch-Diode in Sperrrichtung gepolt wird, weiten sich die Raumladungszonen benachbarter PN-Uebergänge aus und schnüren das dazwischenliegende, kanaiartige Gebiet und damit auch die Schottky-Diode ab. Bei Polung in Durchlassrichtung muss der Kanal natürlich offen sein. The pinch diode therefore has several PIN and Schottky diodes arranged alternately next to one another. If the pinch diode is polarized in the reverse direction, the space charge zones of neighboring PN junctions expand and constrict the intervening, channel-like area and thus also the Schottky diode. If the polarity is in the forward direction, the channel must of course be open.

Die Breite B der Finger muss in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration der zweiten Zone 5 so gewählt werden, dass ohne angelegte Spannung die von den benachbarten PN-Uebergängen 7.1, 7.2, 7.3 ausgehenden Raumladungszonen nicht zusam-menstossen, dass sie beim Anlegen einer Sperrspannung den Finger jedoch abschnüren. The width B of the fingers must be selected as a function of the doping concentration of the second zone 5 so that the space charge zones emanating from the adjacent PN junctions 7.1, 7.2, 7.3 do not collide without the application of a voltage, so that when the reverse voltage is applied they touch the finger however, pinch off.

Vorzugsweise ist die Breite B des Fingers kleiner als seine Höhe H. Dadurch kann der Durchgriff des elektrischen Feldes in gewünschter Weise unterbunden werden. The width B of the finger is preferably smaller than its height H. As a result, penetration of the electric field can be prevented in the desired manner.

Wenn der Schotte-Kontakt eine geringe Barrierenhöhe aufweist, was bekanntlich durch die Wahl der Metallisierung und/oder durch Ionenimplantation einstellbar ist, dann wird im Durchlasszustand der Strom hauptsächlich vom Schotte-Teil der Pinch-Diode getragen. Entsprechend wird die Gesamtstruktur wenig mit Minoritätsträgern überschwemmt, sodass die Pinch-Diode ein schnelles Schaltverhalten besitzt. If the bulkhead contact has a low barrier height, which is known to be adjustable by the choice of the metallization and / or by ion implantation, then in the on state the current is mainly carried by the bulkhead part of the pinch diode. Accordingly, the overall structure is little flooded with minority carriers, so that the pinch diode has a fast switching behavior.

Ein Vorteil der erfindungsgemäss strukturierten Hauptfläche liegt auch darin, dass das Verhältnis der für den Schottky-Kontakt zur Verfügung stehenden Fläche des Halbleitersubstrats zu der durch den PN-Uebergang beanspruchten grösser gewählt werden kann als beim Stand der Technik. Another advantage of the main area structured according to the invention is that the ratio of the area of the semiconductor substrate available for the Schottky contact to the area occupied by the PN junction can be chosen to be larger than in the prior art.

Die Breite B und die Höhe H des Fingers, und damit auch der kanalartigen Bereiche der zweiten Zone 5, sind nicht mehr an eine minimale Breite der dritten Zone 6.1, 6.2, 6.3 gebunden, wie es bei der pla-naren Struktur von J.B. Baiige der Fall ist. The width B and the height H of the finger, and thus also the channel-like regions of the second zone 5, are no longer tied to a minimum width of the third zone 6.1, 6.2, 6.3, as is the case with the planar structure of J.B. Baiige is the case.

Die zweite Elektrode wird durch eine elektrisch zusammenhängende Metallisierung auf den Fingern und in den Gräben gebildet. Erfindungsgemäss lässt sich dies auf zwei Arten realisieren. The second electrode is formed by an electrically connected metallization on the fingers and in the trenches. According to the invention, this can be implemented in two ways.

Fig. 2 zeigt eine erste Möglichkeit. Bei der Herstellung der strukturierten Hauptfläche wird das Halbleitersubstrat derart geätzt, dass die meist länglichen Gräben an zumindest einem Ende eine Rampe 13 aufweisen. Beim nachfolgenden Aufbringen einer Metallisierung 14 wird mit dem Boden der Gräben und den Fingern gleichzeitig auch die Rampe 13 abgedeckt. Es entsteht also automatisch eine elektrisch zusammenhängende zweite Elektrode 9. Fig. 2 shows a first possibility. During the production of the structured main surface, the semiconductor substrate is etched in such a way that the mostly elongated trenches have a ramp 13 at at least one end. During the subsequent application of a metallization 14, the ramp 13 is also covered with the bottom of the trenches and the fingers. An electrically coherent second electrode 9 thus automatically arises.

Sowohl das reaktive lonenätzen als auch das gerichtete Aetzen von <110>-Silizium in KOH sind in diesem Sinn geeignete Herstellungsverfahren. Sie sind als solche bestens bekannt. Both the reactive ion etching and the directional etching of <110> silicon in KOH are suitable manufacturing processes in this sense. As such, they are well known.

Fig. 3 zeigt eine zweite Möglichkeit, um die strukturierte Hauptfläche mit einer elektrisch zusammenhängenden Elektrode zu versehen. Bei dieser Ausführungsform sind ausser dem Boden auch die Wände der Gräben 11.1,11.2,11.3 mit einer Metallisierung 14 bedeckt. FIG. 3 shows a second possibility for providing the structured main surface with an electrically connected electrode. In this embodiment, in addition to the floor, the walls of the trenches 11.1, 11.2, 11.3 are also covered with a metallization 14.

Die erfindungsgemässe Pinch-Diode kann mit bekannten Prozessschritten hergestellt werden und lässt sich auch ohne weiteres mit Massnahmen zum Verbessern der Sperrspannungsfestigkeit kombinieren. Insbesondere kann das Halbleitersubstrat mit den bei Halbleiterbauelementen üblichen Randabschlüssen versehen werden. Bevorzugte Randabschlüsse sind Guardringe und laterale Gradientenabschlüsse (engl, junction termination extension). The pinch diode according to the invention can be produced using known process steps and can also be easily combined with measures to improve the reverse voltage resistance. In particular, the semiconductor substrate can be provided with the edge terminations which are customary in semiconductor components. Preferred edge closures are guard rings and lateral junction termination extensions.

Die Erfindung kann sinngemäss mit einer p+p_n+-Schichtstruktur realisiert werden. The invention can be implemented analogously with a p + p_n + layer structure.

Abschliessend kann gesagt werden, dass durch die Erfindung die Eigenschaften der Pinch-Diode wesentlich verbessert werden können. In conclusion, it can be said that the properties of the pinch diode can be significantly improved by the invention.

Claims

1. pinch diode, comprising a) a semiconductor substrate (1) with a highly doped first zone (3) of a first conductivity type, which is contacted on a first main surface (2) by a first electrode (4),

b) a low-doped second zone (5) of the first conductivity type, which adjoins the first zone (3),

c) and one or more highly doped third zones (6.1, 6.2, 6.3) of a second conductivity type, which on the one hand adjoin a second main surface (8) of the semiconductor substrate (1) and are contacted there by a second electrode (9) and on the other hand with the second zone (5) form one or more PN junctions (7.1, 7.2, 7.3),

d) wherein the second zone (5) at least one

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Point penetrates through the third zone (6.1, 6.2, 6.3) in a channel-like manner in order to form a Schott-ky contact (10) with the second electrode (0) on the second main surface (8), characterized in that e) the second main surface (8) of the semiconductor substrate (Ì) with trenches (11.1, 11.2, 11.3) and fingers (12.1, 12.2, 12.3) is structured such that the Schottky contact (10) between the second zone (5) and the second electrode (9) always comes to rest on a finger (12.1,12.2,12.3), and the third zones (6.1, 6.2, 6.3) penetrate into the semiconductor substrate (1) from the trenches (11.1,11.2, 11.3).

2. Pinch diode according to claim 1, characterized in that the fingers (12.1,12.2,12.3) have a height (H) which is greater than their width (B).

3. Pinch diode according to claim 1, characterized in that to achieve an electrically connected second electrode (9) on the fingers (12.1, 12.2, 12.3) and in the trenches (11.1, 11.2, 11.3), the trenches (11.1, 11.2, 11.3) are provided at their ends with a ramp (13) which is covered with a metallization (14).

4. Pinch diode according to claim 1, characterized in that to achieve an electrically connected second electrode (9) on the fingers (12.1, 12.2, 12.3) and in the trenches (11.1, 11.2, 11.3), the trenches (11.1, 11.2 , 11.3) are covered on their walls with a metallization (14).

5. Pinch diode according to claim 1, characterized in that a) the first zone (3) is an n + -doped zone,

b) the second zone (5) is an n ~ -doped zone and c) the third zone (6.1, 6.2, 6.3) is a p + -doped zone.

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