DE102006024850A1 - Semiconductor component and rectifier arrangement - Google Patents

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Abstract

Es werden Halbleitereinrichtungen, sogenannte Hetero-Junction-Dioden (HJD), und Gleichrichteranordnungen mit derartigen Halbleitereinrichtungen angegeben. Die Hetero-Junction-Dioden (HJD) setzen sich zusammen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, insbesondere Silizium-Germanium und Silizium, die jeweils unterschiedlich dotiert sind. Durch Wahl des Germaniumanteils sowie der Dicke der SiGe-Schicht lassen sich Eigenschaften wie Durchbruchspannung und Sperrstrom der Diode in gewissen Bereichen einstellen. Die Hetero-Junction-Dioden (HJD) sind in Gleichrichteranordnungen, beispielsweise für Generatoren in Kraftfahrzeugen, eingesetzt, wobei zusätzlich zu den Hetero-Junction-Dioden (HJD) weitere Halbleiterelemente geschaltet sein können, beispielsweise Schottky-Dioden, Zenerdioden oder Feldplatten. Durch die geringe Flussspannung der Hetero-Junction-Dioden (HJD) wird der Wirkungsgrad sowie die Abgabeleistung im Leerlauf des Generators gegenüber herkömmlichen Halbleiterbrücken verbessert.Semiconductor devices, so-called hetero-junction diodes (HJD), and rectifier arrangements with such semiconductor devices are specified. The heterojunction diodes (HJD) are composed of different semiconductor materials, in particular silicon germanium and silicon, which are each doped differently. By selecting the germanium content and the thickness of the SiGe layer, properties such as breakdown voltage and reverse current of the diode can be set in certain ranges. The heterojunction diodes (HJD) are used in rectifier arrangements, for example for generators in motor vehicles, wherein in addition to the heterojunction diodes (HJD) further semiconductor elements may be connected, for example Schottky diodes, zener diodes or field plates. Due to the low forward voltage of the hetero-junction diodes (HJD), the efficiency and the output power at idle of the generator compared to conventional semiconductor bridges is improved.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Gleichrichteranordnung mit einer Anzahl von derartigen Halbleiterbauelementen.The The invention relates to a semiconductor device according to the preamble of claim 1 and a rectifier arrangement with a number of such semiconductor devices.

Zur Gleichrichtung des Ausgangsstroms bzw. der Ausgangsspannung von Kraftfahrzeugdrehstromgeneratoren werden Gleichrichter mit Wechselstrombrücken eingesetzt, die sich üblicherweise aus mindestens sechs Halbleiterdioden mit einem pn-Übergang aus Silizium zusammensetzen. Diese Silizium Halbleiterdioden sind für den Betrieb bei hohen Strömen, beispielsweise bei einer Stromdichte von mehr als 500 A/cm2 sowie hohen Temperaturen ausgelegt. Beispielsweise kann die Sperrschichttemperatur dabei bis zu 225°C betragen. Typischerweise beträgt der Spannungsabfall bei solchen herkömmlichen Dioden in Flussrichtung, also die sogenannte Flussspannung OF bei den auftretenden hohen Strömen ca. 1 Volt. Bei Betrieb in Sperrrichtung fließt im Allgemeinen nur ein sehr kleiner Sperrstrom IR bis zu einer Durchbruchspannung UZ. Bei Erreichen dieser Spannung steigt der Sperrstrom IR sehr stark an. Ein weiterer Spannungsanstieg wird deshalb verhindert.To rectify the output current or the output voltage of motor vehicle three-phase generators Rectifier AC bridges are used, which are usually composed of at least six semiconductor diodes with a pn junction made of silicon. These silicon semiconductor diodes are designed for operation at high currents, for example at a current density of more than 500 A / cm 2 and high temperatures. For example, the junction temperature can be up to 225 ° C. Typically, the voltage drop in such conventional diodes in the flow direction, so the so-called flow voltage OF at the high currents occurring is about 1 volt. When operating in the reverse direction generally only a very small reverse current IR flows up to a breakdown voltage UZ. Upon reaching this voltage, the reverse current IR increases very strongly. A further increase in voltage is therefore prevented.

Bei den heute eingesetzten Silizium Dioden wird grundsätzlich unterschieden zwischen hochsperrenden Dioden (HS-Dioden) mit einer Zenerspannung von etwa 200 bis 400 Volt und Zenerdioden mit Sperrspannungen, die je nach Bordnetzspannung des Fahrzeugs etwa im Bereich von 20 bis 40 V liegen. Die hochsperrenden Dioden (HS-Dioden) dürfen dabei nicht im Durchbruch betrieben werden. Zenerdioden können dagegen auch im Durchbruchbetrieb betrieben werden und kurzzeitig sogar mit sehr hohen Strömen, belastet werden. Sie werden deshalb üblicherweise zur Begrenzung der überschießenden Generatorspannung bei Lastwechseln, also im Load-Dump-Fall eingesetzt.at The silicon diodes used today are basically differentiated between high-blocking diodes (HS diodes) with a Zener voltage from about 200 to 400 volts and zener diodes with reverse voltages, the depending on the vehicle electrical system voltage, for example in the range of 20 to 40 V lie. The high-blocking diodes (HS diodes) must not breakthrough operate. Zener diodes can On the other hand, they can also be operated in break-through mode and for a short time even with very high currents, be charged. They are therefore usually limiting the excess generator voltage during load changes, so used in the load-dump case.

Als gewisser Nachteil hat sich erwiesen, dass die Flussspannung OF der Silizium Dioden mit üblichem pn-Übergang, die zu Durchlassverlusten und damit bei Einsatz in einer Gleichrichterbrücke für einen Drehstromgenerator zur Verschlechterung des Wirkungsgrads des Generators führt, nicht vernachlässigbar ist. Da im Mittel immer zwei Dioden in Reihe geschaltet sind, betragen die mittleren Durchlassverluste bei einem 100 A-Generator ca. 200 Watt. Die damit verbundene Aufheizung der Dioden und des Gleichrichters muss durch aufwändige Kühlmaßnahmen verringert werden. In der DE 10 2004 056 663.1 wird daher vorgeschlagen, zur Reduktion der Durchlassverluste sogenannte Hocheffizienzdioden (HED) anstelle von herkömmlichen Silizium Dioden mit üblichem pn-Übergang einzusetzen. Als Hocheffizienzdioden bzw. Hocheffizienz-Schottky-Dioden (HED) werden dabei Dioden bezeichnet, die im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden bzw. Schottky-Dioden keinen durch die Spenspannung verursachten Barrier Lowering-Effekt (BL-Effekt) aufweisen und deshalb sehr niedrige Sperrströme haben.It has proved to be a certain disadvantage that the forward voltage OF of the silicon diodes with conventional pn junction, which leads to forward losses and thus when used in a rectifier bridge for an alternator to the deterioration of the efficiency of the generator, is not negligible. Since an average of two diodes are always connected in series, the average forward losses for a 100 A generator are about 200 watts. The associated heating of the diodes and the rectifier must be reduced by complex cooling measures. In the DE 10 2004 056 663.1 It is therefore proposed to use so-called high-efficiency diodes (HED) instead of conventional silicon diodes with a conventional pn junction to reduce the forward losses. Diodes are referred to as high-efficiency diodes or high-efficiency Schottky diodes (HEDs) which, unlike conventional diodes or Schottky diodes, do not have a barrier lowering effect (BL effect) caused by the chip voltage and therefore have very low reverse currents.

Hocheffizienz-Schottky-Dioden bestehen aus einer monolithisch auf einem Halbleiterchip integrierten Kombination von herkömmlichen Schottky-Dioden mit anderen Elementen wie Feldplatten, pn-Übergängen oder unterschiedlichen Barrierenmetallen. Diese sind häufig in Trench-Technik ausgeführt, eine Hocheffizienz-Schottky-Diode enthält dabei mindestens einige Graben- oder Trench-Strukturen. Die Gräben sind dabei typischerweise etwa 1–3 Mikrometer tief und etwa 0,5 bis 1 Mikrometer breit. Mit solchen Hocheffizienz-Schottky-Dioden können wesentlich niedrigere Flussspannungen UF von etwa 0,5 bis 0,6 Volt realisiert werden.High-efficiency Schottky diodes consist of a monolithic integrated on a semiconductor chip Combination of conventional Schottky diodes with other elements such as field plates, pn junctions or different barrier metals. These are common in Running trench technique, a high-efficiency Schottky diode contains at least some trench or trench structures. The trenches are typically about 1-3 microns deep and about 0.5 to 1 micrometer wide. With such high-efficiency Schottky diodes can be essential realized lower forward voltages UF of about 0.5 to 0.6 volts become.

Da Hocheffizienz-Schottky-Dioden bei höheren Sperrschichttemperaturen betrieben werden, können als herkömmliche Schottky-Dioden eignen sich zum Einsatz in Gleichrichterbrücken für Generatoren. Durch die geringen Durchlassverluste erhöht sich der Wirkungsgrad und die Abgabeleistung im Leerlauf des Generators. Durch das schnelle Schalten der Schottky-Dioden ist die Funkentstörung des Generators geringer als bei herkömmlichen Dioden. Infolge der niedrigen Sperrverlustleistung kann der Aufwand für die Kühlung der Dioden gegenüber dem Einsatz von pn-Dioden reduziert werden. Außerdem erhöhen die geringen Temperaturen der Dioden den Freiheitsgrad für die Auslegung bzw. Partitionierung des Gleichrichters. Es bieten sich dabei mehr Möglichkeiten, die Elemente des Gleichrichters: Dioden, Strukturen zur Kühlung, Verschaltungselemente usw. geeignet anzuordnen. Auch ist bei einigen Varianten von Hocheffizienz-Schottky-Dioden ein Zenerbetrieb möglich. Hocheffizienz-Schottky-Dioden sind jedoch sehr aufwändig herzustellen und damit auch teuer, da sie aus einer Vielzahl von sehr feinen Strukturen bestehen und teilweise Strukturen von weniger als einem Mikrometer Ausdehnung aufweisen.There High efficiency Schottky diodes at higher junction temperatures can be operated as conventional Schottky diodes are suitable for use in rectifier bridges for generators. Due to the low passage losses, the efficiency and increased the power output when idling the generator. By the fast Switching the Schottky diodes, the radio interference suppression of the generator is lower as with conventional Diodes. Due to the low barrier power loss can be the effort for the cooling the diodes opposite be reduced by the use of pn diodes. In addition, the low temperatures increase the diodes the degree of freedom for the design or partitioning of the rectifier. It offer there are more opportunities the elements of the rectifier: diodes, structures for cooling, wiring elements etc. suitable to arrange. Also, in some variants of high efficiency Schottky diodes a Zenerbetrieb possible. High-efficiency Schottky diodes However, they are very expensive produce and therefore expensive, since they are made of a variety of consist of very fine structures and partly structures of less have a dimension of one micrometer.

Eine vorteilhafte Alternative zu den vorstehend beschriebenen Hocheffizienz-Schottky-Dioden (HED) besteht darin, Halbleiterbauelemente, vorzugsweise Dioden so auszugestalten, dass sie mindestens einen Heteroübergang enthalten. Solche Dioden mit Heteroübergang können in besonders vorteilhafter Weise für die Gleichrichtung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms von Generatoren, insbesondere Drehstromgeneratoren für Fahrzeuge eingesetzt werden.A advantageous alternative to the above-described high-efficiency Schottky diodes (HED) consists in designing semiconductor devices, preferably diodes, in such a way that they have at least one heterojunction contain. Such diodes with heterojunction can be particularly advantageous Way for the rectification of the output voltage or the output current of generators, in particular three-phase generators for vehicles be used.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleiterbauelementen, insbesondere Dioden, die übliche pn-Übergänge aufweisen, bei denen die beiden unterschiedlich dotierten Schichten bzw. Bereiche, die den pn-Übergang bilden, aus demselben Halbleitermaterial, beispielsweise aus Silizium, bestehen, wird ein Heteroübergang aus zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien gebildet. Beispielsweise kann ein Heteroübergang aus einer p-dotierten Schicht bzw. einem p-dotierten Bereich aus Silizium-Germanium (Si1-xGex) und einer n-dotierten Schicht bzw. einem n-dotierten Bereich aus Silizium (Si) gebildet werden. Der Index x bezeichnet dabei den Germaniumanteil. Beispielsweise entspricht x = 0,3 einem Germaniumanteil von 30 % in der Silizium-Germanium-Schicht.In contrast to conventional semiconductor devices, in particular diodes having the usual pn junctions in which the two un differently doped layers or regions which form the pn junction consist of the same semiconductor material, for example of silicon, a heterojunction of two different semiconductor materials is formed. For example, a heterojunction of a p-doped layer or a p-doped region of silicon germanium (Si 1-x Ge x ) and an n-doped layer or an n-doped region of silicon (Si) can be formed. The index x designates the germanium content. For example, x = 0.3 corresponds to a germanium content of 30% in the silicon-germanium layer.

Bei verschiedenen Bauelementen der Halbleitertechnik werden, um gewisse Vorteile zu erzielen, Heteroübergänge ausgenutzt. Dabei werden vorzugsweise Halbleiter mit großer Bandlücke (Wide Band Semiconductors) verwendet. Als Beispiel für solche Halbleiter mit Heteroübergängen sei Al0,2, Ga0,8, As/GaAs genannt. Mit entsprechenden Dioden kann mittels geeigneter Zusammensetzung der besondere Vorteil erreicht werden, dass die Flussspannung OF kleiner ist als bei einer üblichen Diode, die nur aus einem Halbleitermaterial besteht, das unterschiedlich dotiert ist. Dioden mit solchen Strukturen, bei denen der pn-Übergang oder die pn-Übergänge aus unterschiedlichen Materialien bestehen werden als Hetero-Junction-Dioden (HJD) bezeichnet. Im Gegensatz zu den Hocheffizienz-Schottky-Dioden (HED) sind die Hetero-Junction-Dioden sehr einfach herzustellen, da sie keine feinen Strukturen aufweisen müssen.Heterogeneous transitions are exploited in various components of semiconductor technology to achieve certain advantages. In this case, it is preferable to use wide-band semiconductors. As an example of such heterojunction semiconductors, mention may be made of Al 0.2 , Ga 0.8 , As / GaAs. With appropriate diodes can be achieved by means of suitable composition of the particular advantage that the forward voltage OF is smaller than in a conventional diode, which consists only of a semiconductor material which is doped differently. Diodes with such structures in which the pn junction or the pn junctions consist of different materials are referred to as heterojunction diodes (HJD). In contrast to the high-efficiency Schottky diodes (HED), the hetero-junction diodes are very easy to produce, since they do not have to have fine structures.

Beim Einsatz von Hetero-Junction-Dioden in Gleichrichtern für Kraftfahrzeuggeneratoren erhöht sich wegen der geringeren Flussspannung OF der Wirkungsgrad und die Abgabeleistung des Generators im Leerlauf. Durch das vorteilhafte schnelle Schalten der Schottky-Dioden verbessert sich zudem die Funkentstörung des Generators in bestimmten Frequenzbereichen.At the Use of hetero-junction diodes in rectifiers for motor vehicle generators increases because of the lower forward voltage OF the efficiency and the output power of the generator idling. Due to the advantageous fast switching The Schottky diodes also improves the radio interference suppression of the Generator in certain frequency ranges.

Als Folge der niedrigen Sperrverlustleistung kann der Aufwand für die Kühlung der Hetero-Junction-Dioden gegenüber dem Einsatz von herkömmlichen pn-Dioden reduziert werden. Außerdem erhöhen die geringen Temperaturen der Hetero-Junction-Dioden den Freiheitsgrad für die Auslegung des Gleichrichters bzw. dessen Partitionierung.When As a result of the low barrier power loss, the cost of cooling the Heterojunction diodes opposite the use of conventional pn diodes can be reduced. Furthermore increase the low temperatures of the hetero-junction diodes the degree of freedom for the Design of the rectifier or its partitioning.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass beim Einsatz von Hetero-Junction-Dioden im Gleichrichter auch deren Einsatz im Zenerbetrieb im Load-Ddump-Fall möglich ist.Farther is advantageous that when using heterojunction diodes in Rectifiers also their use in the Zenerbetrieb in the load-dump case is possible.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Als Hetero-Junction-Dioden (HJD) werden Dioden bezeichnet, die an Stelle eines üblichen pn-Übergangs aus unterschiedlich dotiertem Silizium einen Hetero-Übergang aufweisen. Ein Heteroübergang wird dabei aus zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien gebildet. Beispielsweise kann ein Heteroübergang aus einer p-dotierten Schicht bzw. einem p-dotierten Bereich aus Silizium-Germanium (Si1-xGex) und einer n-dotierten Schicht bzw. einem n-dotierten Bereich aus Silizium (Si) gebildet werden. Der Heteroübergang ist dabei erfindungsgemäß so ausgelegt ist, dass die Flussspannung OF der Diode kleiner ist als die Flussspannung einer vergleichbaren pn-Diode, bei der der p- und n-Bereich aus demselben Halbleitermaterial besteht, jedoch unterschiedlich dotiert ist.Heterojunction diodes (HJDs) denote diodes which have a heterojunction instead of a customary pn junction of differently doped silicon. A heterojunction is formed from two different semiconductor materials. For example, a heterojunction of a p-doped layer or a p-doped region of silicon germanium (Si 1-x Ge x ) and an n-doped layer or an n-doped region of silicon (Si) can be formed. According to the invention, the heterojunction is designed such that the forward voltage OF of the diode is smaller than the forward voltage of a comparable pn diode, in which the p and n regions consist of the same semiconductor material but are doped differently.

Optimal ist für die Hetero-Junction-Dioden (HJD) ein Mittelweg zwischen Reduktion der Flussspannung OF und der damit automatisch verbundenen Erhöhung des Sperrstroms. Erfindungsgemäß liegen bei Hetero-Junction-Dioden (HJD) die Flussspannungen UF, gemessen bei einer Stromdichte von jF = 500 A pro cm2 etwa zwischen 0,5 und 0,7 Volt.Optimal for the hetero-junction diodes (HJD) is a middle ground between reduction of the forward voltage OF and the automatically associated increase in reverse current. According to the invention, in heterojunction diodes (HJD), the forward voltages UF, measured at a current density of jF = 500 A per cm 2, are approximately between 0.5 and 0.7 volts.

Werden sechs Dioden in einem Gleichrichter für Drehstromgeneratoren in einem Fahrzeug eingesetzt ergibt sich für die Gesamtverlustleistung des Gleichrichters, die sich aus Durchlass- und Sperrverlusten zusammensetzt, folgende Beziehung: Gesamtverlustleistung: P = 0,5 UF·IF + 0,5·IR·UR If six diodes are used in a rectifier for three-phase generators in a vehicle, the following relationship results for the total power loss of the rectifier, which is composed of forward and reverse losses: Total power dissipation: P = 0.5 UF * IF + 0.5 * IR * UR

Dabei bedeuten UF: Flussspannung, IF: Flussstrom, IR: Sperrstrom, UR: Sperrspannung.there mean UF: forward voltage, IF: flow current, IR: reverse current, UR: Blocking voltage.

Da die typische Flussspannung OF einer herkömmlichen Silizium Diode mit einem nur durch unterschiedliche Dotierung eingestellten pn-Übergang etwa 1 Volt beträgt, ist aus der oben stehenden Gleichung zu erkennen, dass beim Ersatz einer herkömmlichen Diode durch eine Hetero-Junction-Diode (HJD) mit einer Flussspannung OF zwischen 0,5 und 0,7 Volt die Verlustleistung um 30 bis 50 % reduziert werden kann, sofern die Sperrverluste IR und UR klein gehalten werden.There the typical forward voltage OF of a conventional silicon diode with a pn junction set only by different doping is about 1 volt, can be seen from the above equation that when replacing a conventional one Diode through a heterojunction diode (HJD) with a forward voltage OF between 0.5 and 0.7 volts the power loss by 30 to 50% can be reduced, provided the barrier losses IR and UR small being held.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung des Energiebands eines Silizium-Germanium/Silizium-Übergangs (SIGe/Si-Übergang) mit einem Germanium-Anteil von 30 % bei Raumtemperatur im Gleichgewichtszustand. Silizium-Germanium ist dabei p-dotiert und Silizium ist n-dotiert. Aufgetragen ist die Energieverteilung in Elektronenvolt (eV) über dem Abstand. Ec, Ev und EF bezeichnen die Unterkante des Leitungsbandes, Oberkante des Valenzbandes und Fermienergie. Die Energiebarriere für Elektronen ist mit Φbn bezeichnet.The 1 shows a schematic representation of the energy band of a silicon-germanium / silicon transition (SIGe / Si transition) with a germanium content of 30% at room temperature in the equilibrium state. Silicon germanium is p-doped and silicon is n-doped. Plotted is the energy distribution in electron volts (eV) over the distance. Ec, Ev and EF denote the lower edge of the conduction band, upper edge of the valence band and Fermi energy. The energy barrier for electrons is denoted by Φbn.

Die Energiebarriere Φbn für Elektronen beträgt etwa 0,79 eV, für Löcher beträgt die Energiebarriere Φbn etwa 1,12 eV. Deshalb wird der Strom im Wesentlichen von Elektronen getragen. Die Energiebarriere kann durch den Germanium-Anteil beeinflusst werden. Je geringer der Germaniumanteil wird, desto höher wird die Barriere, das heißt desto höher wird die Flussspannung OF und desto kleiner wird der Sperrstrom. Bei einem Germaniumanteil von 0 liegt ein üblicher Silizium-pn-Übergang vor.The energy barrier Φbn for electrons is about 0.79 eV, for holes is the energy bar Φbn about 1.12 eV. Therefore, the current is essentially carried by electrons. The energy barrier can be influenced by the germanium content. The lower the germanium content becomes, the higher the barrier becomes, that is, the higher the flux voltage OF becomes, and the smaller the reverse current becomes. At a germanium content of 0, there is a common silicon-pn transition.

Im Gegensatz zu Schottky-Dioden, bei denen ebenfalls eine Energiebarriere vorliegt, ist eine Barriere wie in dem in 1 dargestellten Heteroübergang weniger von der angelegten Sperrspannung UR abhängig, es ist nur ein geringes Barrier Lowering BL vorhanden. Deshalb sind die Sperrströme bei Heteroübergängen bzw. bei Hetero-Junction-Dioden (HJD) auch ohne aufwändige Maßnahmen, wie sie beispielsweise bei Hocheffizienz-Schottky-Dioden (HED) angewandt werden, geringer als bei Schottkydioden.In contrast to Schottky diodes, which also have an energy barrier, there is a barrier like the one in 1 shown heterojunction less dependent on the applied blocking voltage UR, there is only a small barrier Lowering BL available. Therefore, the blocking currents in heterojunction transitions or in heterojunction diodes (HJD) are lower than for Schottky diodes even without expensive measures, such as those used in high-efficiency Schottky diodes (HED).

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hetero-Junction-Diode (HJD) ist in 2 ausschnittsweise im Querschnitt dargestellt. Diese Hetero-Junction-Diode (HJD) weist eine Flussspannung von ca. 650 mV bei einer Flussstromdichte von 500 A/cm2 auf. Die sogenannte Avalanche-Durchbruchspannung UZ beträgt etwa 22 V. Die Hetero-Junction-Diode (HJD) besteht aus einem, etwa 200 μm dicken Substrat 1 aus n-dotiertem Silizium. Darüber befindet sich eine n-dotierte Silizium-Epitaxie-Schicht 2 mit einer Dicke von etwa 1,1 μm. Die Dotierungskonzentration beträgt beispielsweise 4,5·1016 cm–3. Über dieser Schicht befindet sich die Silizium-Germanium-Schicht 3 mit einem Germaniumanteil von 10 bis 40 %. Die Silizium-Germanium-Schicht 3 ist zwischen 10 und 50 mm dick und mit Bor mit einer Konzentration von mehr als 1019 cm–3 dotiert. Werden höhere Dotierungen gewünscht, ist ein gestuftes p-Dotierprofil vorteilhaft. Der pn-Übergang befindet sich dabei innerhalb des Silizium-Germanium-Bereichs.An embodiment of a heterojunction diode (HJD) according to the invention is described in 2 partially shown in cross section. This heterojunction diode (HJD) has a forward voltage of approximately 650 mV at a current density of 500 A / cm 2 . The so-called avalanche breakdown voltage UZ is about 22 V. The heterojunction diode (HJD) consists of a, about 200 microns thick substrate 1 made of n-doped silicon. Above it is an n-doped silicon epitaxial layer 2 with a thickness of about 1.1 microns. The doping concentration is, for example, 4.5 × 10 16 cm -3 . Above this layer is the silicon germanium layer 3 with a germanium content of 10 to 40%. The silicon germanium layer 3 is between 10 and 50 mm thick and doped with boron at a concentration greater than 10 19 cm -3 . If higher dopings are desired, a stepped p-doping profile is advantageous. The pn junction is located within the silicon germanium region.

Sowohl die Silizium-Germanium-Schicht 3 an der Oberseite als auch das Substrat 1 an der Unterseite ist mit je einem metallischen Kontakt 4 bzw. 5 versehen. Bei den metallischen Kontakten kann beispielsweise eine Schichtfolge von Chrom, Nickel und Silber verwendet werden. Die Kontakte 4 und 5 bilden die Anode bzw. Kathode der Hetero-Junction-Diode (HJD). Am Rand der Struktur nach 2 werden durch übliche photolithographische Prozesse sowie durch Diffusion Strukturen angebracht, die die Sperrfähigkeit des Bauteils am Chiprand erhöhen (beispielsweise durch einen Guardring oder Feldplatten usw). Bei dem Beispiel der Hetero-Junction-Diode (HJD) nach 2 ist die Randstruktur nicht explizit dargestellt.Both the silicon germanium layer 3 at the top as well as the substrate 1 at the bottom there is a metallic contact each 4 respectively. 5 Mistake. In the metallic contacts, for example, a layer sequence of chromium, nickel and silver can be used. The contacts 4 and 5 form the anode and cathode of the heterojunction diode (HJD). At the edge of the structure 2 By conventional photolithographic processes as well as by diffusion structures are attached, which increase the blocking capability of the component at the chip edge (for example, by a guard ring or field plates, etc.). In the example of the heterojunction diode (HJD) according to 2 the edge structure is not explicitly shown.

Bei der Herstellung der in 2 dargestellten Struktur einer Hetero-Junction-Diode (HJD) wird nach dem Durchführen der einzelnen Prozessschritte der Halbleiterwafer in üblicher Weise in einzelne Diodenchips aufgeteilt. Die Diodenchips können dann beispielsweise in ein bekanntes standardisiertes Einpressdiodengehäuse eingelötet und mit einer Kunststoffmasse umschlossen werden. Solche Hetero-Junction-Dioden (HJD) können im Gleichrichter, insbesondere für einen Drehstromgenerator für ein Fahrzeug wie die üblichen pn-Dioden im Einpressgehäuse durch Einpressen in die Kühlkörper oder Lagerschilde des Generators montiert werden.In the production of in 2 shown structure of a heterojunction diode (HJD) is divided into individual diode chips in the usual way after performing the individual process steps of the semiconductor wafer. The diode chips can then be soldered, for example, in a known standardized Einpressdiodengehäuse and enclosed with a plastic compound. Such heterojunction diodes (HJD) can be mounted in the rectifier, in particular for a three-phase generator for a vehicle such as the usual pn diodes in the press-fit housing by pressing into the heat sink or bearing plates of the generator.

Wesentlich ist, dass sich durch Wahl des Germanium-Anteils in der SiGe-Schicht bzw. des SiGe-Bereichs und/oder durch Wahl der Dicke der SiGe-Schicht die Flussspannung OF und der Sperrstrom IR in gewünschter Weise einstellen lässt. Die angestrebten Werte für die Flussspannung OF und den Sperrstrom IR werden so ausgewählt, dass nach dem Einbau in den Gleichrichter die für den Gleichrichter angestrebten Eigenschaften erhalten werde.Essential is that by choosing the germanium content in the SiGe layer or the SiGe region and / or by selecting the thickness of the SiGe layer the forward voltage OF and the reverse current IR in the desired Set way. The desired values for the flux voltage OF and the reverse current IR are selected so that after being installed in the rectifier, those aimed at the rectifier Properties are obtained.

In 3 sind typische Abhängigkeiten von Flussspannung OF und Sperrstromdichte IR für eine 22 Volt Hetero-Junction-Diode (HJD) als Funktion von Germaniumanteil in der Silizium-Germanium-Schicht sowie als Funktion von der Silizium-Germanium Schichtdicke bei Raumtemperatur dargestellt.In 3 are typical dependencies of flux voltage OF and reverse current density IR for a 22 volt heterojunction diode (HJD) as a function of germanium content in the silicon germanium layer and as a function of the silicon germanium layer thickness at room temperature.

Mit den in 2 dargestellten und vorstehend näher beschriebenen Hetero-Junction-Dioden (HJD) können an sich bekannte Gleichrichter für Generatoren ausgestattet werden, wobei anstelle der üblichen sechs Dioden sechs Hetero-Junction-Dioden (HJD) eingesetzt werden. Falls die Spannungsbegrenzung im Load-Dump-Fall durch die Hetero-Junction-Dioden allein nicht ausreichend ist, können im Gleichrichter auch herkömmliche Zenerdioden zu den Hetero-Junction-Dioden parallel geschaltet werden. In diesem Fall muss die Durchbruchspannung der Hetero-Junction-Dioden größer gewählt werden als die der Zenerdioden. Dann übernehmen die Hetero-Junction-Dioden in Vorwärtsrichtung den Strom, während der Durchbruch ausschließlich in der Zenerdiode stattfindet.With the in 2 illustrated and described in more detail above heterojunction diodes (HJD) can be equipped per se known rectifier for generators, instead of the usual six diodes six heterojunction diodes (HJD) are used. If the voltage limitation in the load-dump case by the hetero-junction diodes alone is not sufficient, conventional rectifier zener diodes can also be connected in parallel to the heterojunction diodes in the rectifier. In this case, the breakdown voltage of the heterojunction diodes must be greater than that of the zener diodes. Then, the hetero-junction diodes take over in the forward direction of the current, while the breakdown takes place exclusively in the zener diode.

Es sind auch Anordnungen bzw. Strukturen möglich„ die beispielsweise zusätzlich einen weiteren pn-Übergang integriert haben, der den Wert der Durchbruchspannung bestimmt. Außerdem sind Schaltungen möglich, bei denen jeweils nur die Plusdioden oder alternativ nur die Minusdioden durch Hetero-Junction-Dioden ersetzt werden. Es wird dann also eine Reihenschaltung von herkömmlichen pn-Dioden mit Hetero-Junction-Dioden verwendet. Dadurch wird zwar die Leistungssteigerung des Generators reduziert, andererseits werden aber die Leckströme des Generators niedriger, da die Sperrströme herkömmlicher pn-Dioden im Allgemeinen niedriger sind als die Sperrströme von Hetero-Junction-Dioden. Durch diese Maßnahme kann darüber hinaus der Anteil der Load-Ddump-Energie zwischen den Hetero-Junction-Dioden (HJD) und den pn-Dioden, die nur aus Si bestehen in vorteilhafter Weise verteilt bzw. beeinflusst werden.Arrangements or structures are also possible "which, for example, have additionally integrated a further pn junction which determines the value of the breakdown voltage. In addition, circuits are possible in which only the plus diodes or alternatively only the minus diodes are replaced by heterojunction diodes. Thus, a series connection of conventional pn diodes with heterojunction diodes is used. Although this reduces the power increase of the generator, on the other hand, however, the leakage currents of the generator are lower because the lock currents of conventional pn diodes are generally lower than the reverse currents of heterojunction diodes. By this measure, moreover, the proportion of the load-dump energy between the heterojunction diodes (HJD) and the pn diodes, which consist only of Si can be distributed or influenced in an advantageous manner.

Weitere Ausführungsformen von Hetero-Junction-Dioden zum Einsatz in Gleichrichtern von Generatoren, die zusätzliche Strukturen wie Schottky-Übergänge, pn-Strukturen und Feldplatten aufweisen, sind möglich. Diese können im planarer Anordnung oder aber mit Graben- oder Trench-Strukturen ausgestaltet werden. Die Kombination der vorstehend beschriebenen Strukturen mit Hetero-Junction-Dioden (HJD) sind besonders für den Einsatz in Gleichrichtern für Generatoren in Kraftfahrzeugen geeignet.Further embodiments of hetero-junction diodes for use in rectifiers of generators, the extra Structures such as Schottky junctions, pn structures and field plates are possible. These can be in planar arrangement or with trench or trench structures be designed. The combination of those described above Structures with heterojunction diodes (HJD) are particularly suitable for use in rectifiers for Generators suitable in motor vehicles.

Claims (13)

Halbleitereinrichtung, die eine Hetero-Junction-Diode (HJD) umfasst, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien besteht und bei der die Dotierung der Halbleitermaterialien unterschiedlich ausgeführt ist.Semiconductor device comprising a heterojunction diode (HJD), which consists of different semiconductor materials and in which the doping of the semiconductor materials is different accomplished is. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Halbleitermaterialien wenigstens zwei Schichten bilden und jeine Schicht aus Silizium-Germanium (SiGe) und eine aus Silizium (Si) besteht.Semiconductor device according to Claim 1, characterized that the different semiconductor materials at least two Layers and a layer of silicon germanium (SiGe) and one made of silicon (Si). Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Germanium Anteil der Silizium-Germanium (SiGe) Schicht weniger als 40 % beträgt.Semiconductor device according to Claim 2, characterized that the germanium portion of the silicon germanium (SiGe) layer less than 40%. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der einzelnen Schichten und/oder die Dotierungen der einzelnen Schichten so gewählt sind, dass die Flussspannung und/oder Der Sperrstrom eine vorgebbare Größe aufweist.Semiconductor device according to one of the preceding Claims, characterized in that the thickness of the individual layers and / or the dopings of the individual layers are chosen so that the forward voltage and / or the reverse current has a predeterminable size. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hetero-Junction-Diode mit einer Randstruktur, insbesondere einem Guardring, oder einer Feldplatte umgeben ist.Semiconductor device according to one of the preceding Claims, characterized in that the heterojunction diode having a Edge structure, in particular a guard ring, or a field plate is surrounded. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten aus unterschiedlichen Materialien aus der Gruppe der III/V-Verbindungen gefertigt sind und eine Schicht, insbesondere eine Silizium-Kohlenstoff-Verbindung aufweist.Semiconductor device according to Claim 1, characterized that the semiconductor layers of different materials the group of III / V compounds are made and a layer, in particular a silicon-carbon compound having. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hetero-Junction-Diode zusätzliche Strukturen wie Schottky-Kontakte, pn-Übergänge und Grabenstrukturen umfasst.Semiconductor device according to one of the preceding Claims, characterized in that the heterojunction diode is additional Structures like Schottky contacts, pn transitions and Includes trench structures. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hetero-Junction-Diode für Temperaturen von mehr als 200°C geeignet ist.Semiconductor device according to one of the preceding Claims, characterized in that the heterojunction diode is designed for temperatures of more than 200 ° C suitable is. Gleichrichteranordnung, insbesondere für einen Generator in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass Halbleitereinrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingesetzt werden.Rectifier arrangement, in particular for a Generator in a vehicle, characterized in that semiconductor devices used according to one of the preceding claims. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Hetero-Junction-Dioden zusammen mit Zenerdioden geschaltet sind, insbesondere in einer Parallelschaltung.Rectifier arrangement according to claim 9, characterized characterized in that heterojunction diodes are connected together with Zener diodes, in particular in one Parallel. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dass Hetero-Junction-Dioden zusammen mit Zenerdioden geschaltet sind, insbesondere in einer Reihenschaltung.Rectifier arrangement according to Claim 9 or 10, characterized characterized in that the hetero-junction diodes together are connected with zener diodes, in particular in a series circuit. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dass Hetero-Junction-Dioden zusammen mit Zenerdioden und/oder Schottkydioden und/oder Feldplatten und/oder Trenchstrukturen geschaltet sind.Rectifier arrangement according to claim 9, characterized characterized in that the heterojunction diodes together with Zener diodes and / or Schottky diodes and / or field plates and / or trench structures are connected. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine planare Anordnung oder eine Trench-Anordnung vorhanden ist.Rectifier arrangement according to claim 12, characterized characterized in that a planar arrangement or a trench arrangement is available.
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