DE102016013541A1 - lll-V-Halbleiterdiode - Google Patents

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Abstract

Stapelförmige III-V-Halbleiterdiode (10) aufweisend ein p+-Substrat (12) mit einer Dotierstoffkonzentration von 5*1018-5*1020cm-3 , einer Schichtdicke (Ds) von 50-500 µm und umfassend eine GaAs-Verbindung, eine n--Schicht (16) mit einer Dotierstoffkonzentration von 1014-1016 cm-3, einer Schichtdicke (D1) von 10-300 µm und umfassend eine GaAs-Verbindung, eine n+-Schicht (18) mit einer Dotierstoffkonzentration von mindestens 1019cm-3, einer Schichtdicke (D2) kleiner 2 µm und umfassend eine GaAs-Verbindung, wobei die n-Schicht (16) und die n+-Schicht (18) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, zwischen dem p+-Substrat (12) und der n--Schicht (16) eine dotierte Zwischenschicht (14) mit einer Schichtdicke (Dp) von 5-50 µm und einer Dotierstoffkonzentration von 1015-1017 cm-3 angeordnet ist und die Zwischenschicht (14) mit dem p+-Substrat (12) und mit der n--Schicht (16) stoffschlüssig verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine III-V-Halbleiterdiode.
  • Aus „GaAs Power Devices“ von German Ashkinazi, ISBN 965-7094-19-4, Seite 8 und 9 ist eine hochspannungsfeste Halbleiterdiode p+ - n - n+ bekannt.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
  • Die Aufgabe wird durch eine III-V-Halbleiterdiode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird eine stapelförmige III-V-Halbleiterdiode bereitgestellt, aufweisend ein p+-Substrat mit einer Dotierstoffkonzentration von 5*1018-5*1020cm-3 und einer Schichtdicke zwischen 50 µm und 500 µm, wobei das p+-Substrat eine GaAs-Verbindung umfasst oder aus einer GaAs-Verbindung besteht.
  • Ferner weist die III-V-Halbleiterdiode eine n--Schicht mit einer Dotierstoffkonzentration von 1014-1016 cm-3 und einer Schichtdicke von 10-300 µm sowie eine n+-Schicht mit einer Dotierstoffkonzentration von mindestens 5*1019cm-3 und einer Schichtdicke kleiner 30 µm auf, wobei die n--Schicht und die n+-Schicht jeweils eine GaAs-Verbindung umfassen oder jeweils aus einer GaAs-Verbindung bestehen und stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
  • Zwischen dem p+-Substrat und der n--Schicht ist eine dotierte Zwischenschicht mit einer Schichtdicke von 1-50 µm und einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1017 cm-3 angeordnet, wobei die Zwischenschicht mit dem p+-Substrat und mit der n--Schicht stoffschlüssig verbunden ist.
  • Es versteht sich, dass die Zwischenschicht eine im Vergleich zu den stoffschlüssig verbundenen Schichten wenigstens eine unterschiedliche Dotierstoffkonzentration aufweist.
  • Ein Vorteil ist, dass sich mit der erfindungsgemäßen III-V-Halbleiterdiode auf einfache Weise Sperrspannungen in einem Bereich von 200V - 3,300 V mit kleineren Einschaltwiderständen und geringeren Kapazitäten pro Fläche als herkömmliche hochsperrende Dioden aus Si oder aus SiC herstellen lassen. Hierdurch sind Schaltfrequenzen von 30 kHz bis zu 0,5 GHz und Stromdichten von 0.5 A/mm2 bis 5 A/mm2 erreichbar.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die III-V-Halbleiterdioden kostengünstiger als vergleichbare hochsperrende Dioden aus SiC herstellen lassen.
  • Insbesondere lassen sich die erfindungsgemäßen III-V-Halbleiterdioden als Freilaufdioden verwenden.
  • Es sei angemerkt, dass die erfindungsgemäßen III-V-Halbleiterdioden vorliegend kleine Einschaltwiderstände in einem Bereich zwischen 1 mOhm und 200 mOhm aufweisen. Die Kapazitäten pro Fläche liegen in einem Bereich zwischen 2 pF und 100 pF.
  • Ein anderer Vorteil der erfindungsgemäßen III-V-Halbleiterdiode ist eine hohe Temperaturfestigkeit von bis zu 300°C. Anders ausgedrückt lassen sich die III-V-Halbleiterdioden auch in heißen Umgebungen einsetzten.
  • In einer ersten Ausführungsform ist die Zwischenschicht p-dotiert ausgebildet und umfasst gemäß alternativer Weiterbildungen als Dotierstoffe Zink und / oder Silizium. Die Dotierstoffkonzentration der Zwischenschicht ist kleiner als die Dotierstoffkonzentration des p+-Substrats. Vorzugsweise ist die Dotierstoffkonzentration in einem Bereich zwischen einem Faktor 2 bis zu einem Faktor 100.000, d.h. fünf Größenordnungen kleiner.
  • In einer anderen Ausführungsform ist die Zwischenschicht n-dotiert ausgebildet und umfasst als Dotierstoff vorzugsweise Silizium. Die Dotierstoffkonzentration der Zwischenschicht ist kleiner als die Dotierstoffkonzentration des n--Bereiches. Vorzugsweise ist die Dotierstoffkonzentration in einem Bereich bis zu einem Faktor 100 kleiner.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst das p+-Substrat als Dotierstoff Zink. Die n--Schicht und/oder die n+-Schicht umfassen in einer weiteren Ausführungsform vorzugsweise Silizium und / oder Chrom und / oder Palladium und / oder Zinn.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der stapelförmige Schichtaufbau bestehend aus dem p+-Substrat, der Zwischenschicht, der n--Schicht und der n+-Schicht monolithisch ausgebildet.
  • In einer weiteren Ausführungsform beträgt eine Gesamthöhe des stapelförmigen Schichtaufbaus bestehend aus dem p+-Substrat, der Zwischenschicht, der n--Schicht und der n+-Schicht höchstens 150-500 µm.
  • Vorzugsweise ist eine Oberfläche des Schichtaufbaus viereckig, insbesondere rechteckig oder quadratisch und mit einer Kantenlänge in einem Bereich zwischen 1 mm und 20 mm ausgebildet. In einer Weiterbildung weisen die viereckigen Strukturen jeweils abgerundete Kanten und / oder Ecken auf, um Feldstärkespitzen insbesondere bei Spannungen oberhalb 500 V zu vermeiden.
  • In einer anderen Ausführungsform ist die Oberfläche rund ausgeführt. Hierdurch werden Überhöhungen der Feldstärke besonders effektiv reduziert. Vorzugsweise ist die Oberfläche kreisförmig oder oval ausgeführt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigen, die:
    • 1 eine Ansicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eine III-V-Halbleiterdiode,
    • 2 eine Ansicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Schichtenfolge
    • 3 eine Ansicht auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Schichtenfolge,
    • 4 eine Aufsicht auf die III-V-Halbleiterdiode aus 1.
  • Die Abbildung der 1 zeigt eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen stapelförmige III-V-Halbleiterdiode 10, aufweisend ein p+-Substrat 12, eine mit dem p+-Substrat 12 stoffschlüssig verbundene Zwischenschicht 14, eine mit der Zwischenschicht 14 stoffschlüssig verbundene n--Schicht 16, eine mit der n--Schicht 16 stoffschlüssig verbundene n+-Schicht 18, sowie einen ersten Kontakt 20 und einen zweiten Kontakt 22. Der erste Kontakt 20 ist stoffschlüssig mit einer Unterseite des p+-Substrats 12 verbunden, während der zweite Kontakt 22 stoffschlüssig mit einer Oberseite der n+-Schicht 18 verbunden ist.
  • Das p+-Substrat 12 umfasst eine GaAs-Verbindung, ist p-dotiert, weist eine Dotierstoffkonzentration von 1019 cm-3. Eine Schichtdicke Ds des p+-Substrats 12 liegt zwischen 50 µm und 500 µm.
  • Die Zwischenschicht 14 weist eine Schichtdicke D3 von 1 - 50 µm und eine Dotierung mit einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1017 cm-3 auf.
  • Die n--Schicht 16 ist schwach n-dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1016 cm-3 und weist eine Schichtdicke D1 von 10-300 µm auf.
  • Die n+-Schicht 18 ist stark n-dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration von mindestens 1019 cm-3 und einer Schichtdicke D2 kleiner als 30 µm.
  • In den Abbildungen der 2 und 3 sind zwei alternative Ausführungsformen einer aus dem p+-Substrat 12, der n--Schicht 16, der Zwischenschicht 14 und der n+-Schicht 18 bestehenden Schichtaufbaus 100 einer erfindungsgemäßen III-V-Halbleiterdiode dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
  • Der Schichtaufbau 100 kann in einer ersten Ausführungsform eine niedrig p-dotierte Zwischenschicht 14.1 aufweisen, wie in 2 dargestellt. Alternativ weist die Schichtenfolge eine niedrig n-dotierte Zwischenschicht 14.2 auf, wie in 3 dargestellt.
  • In der Abbildung der 4 ist eine Aufsicht auf die in 1 gezeigte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen III-V-Halbleiterdiode dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
  • Der stapelförmige Schichtaufbau 100 der III-V-Halbleiterdiode 10 bestehend aus dem p+-Substrat 12, der n--Schicht 16, der Zwischenschicht 14 und der n+-Schicht 18 weist einen rechteckigen Umfang und hierdurch auch eine rechteckige Oberfläche mit den Kantenlängen L1 und L2 auf. Die auf der Oberfläche der Schichtenfolge 100 angeordnete Kontaktfläche 22 überdeckt nur einen Teil der Oberfläche.
  • Es versteht sich, dass in einer nicht dargestellten Ausführungsform weist der der Stapel auch viereckig Oberfläche auf. Insbesondere ist die Oberfläche quadratisch ausgeführt.
  • In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform sind bei den eckigen Ausführungen die Ecken verrundet, um Feldstärkespitzen bei hohen Spannungen zu vermeiden.
  • In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform ist die Oberfläche rund ausgeführt. Hierdurch werden Überhöhungen der Feldstärke besonders effektiv reduziert. Vorzugsweise ist die Oberfläche kreisförmig oder oval ausgeführt.

Claims (13)

  1. Stapelförmige III-V-Halbleiterdiode (10) aufweisend, - ein p+-Substrat (12) mit einer Dotierstoffkonzentration von 5*1018-5*1020cm-3, einer Schichtdicke (Ds) von 50-500 µm, wobei das p+-Substrat (12) eine GaAs-Verbindung umfasst oder aus einer GaAs Verbindung besteht, - eine n--Schicht (16) mit einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1016 cm-3, einer Schichtdicke (D1) von 10-300 µm und eine GaAs-Verbindung umfasst oder aus einer GaAs Verbindung besteht, - eine n+-Schicht (18) mit einer Dotierstoffkonzentration von mindestens 1019cm-3, einer Schichtdicke (D2) kleiner 30 µm und eine GaAs-Verbindung umfasst oder aus einer GaAs Verbindung besteht, - wobei die n--Schicht (16) und die n+-Schicht (18) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem p+-Substrat (12) und der n--Schicht (16) eine dotierte Zwischenschicht (14) mit einer Schichtdicke (D3) von 1 µm -50 µm und einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1017 cm-3 angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (14) mit dem p+-Substrat (12) und mit der n-Schicht (16) stoffschlüssig verbunden ist.
  2. III-V-Halbleiterdiode (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (14) p-dotiert ausgebildet ist.
  3. III-V-Halbleiterdiode (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration der Zwischenschicht (14) kleiner als die Dotierstoffkonzentration des p+-Substrats ausgebildet und vorzugsweise in einem Bereich zwischen einem Faktor 2 bis zu einem Faktor von fünf Größenordnungen kleiner ist.
  4. III-V-Halbleiterdiode (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (14) Zink oder Silizium umfasst.
  5. III-V-Halbleiterdiode (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (14) n-dotiert ausgebildet ist.
  6. III-V-Halbleiterdiode (10) nach einem der Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (14) Silizium und / oder Zinn umfasst.
  7. III-V-Halbleiterdiode (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration der Zwischenschicht (14) um bis zu einem Faktor 100 kleiner als die Dotierstoffkonzentration des n- Bereichs (16)ist.
  8. III-V-Halbleiterdiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das p+-Substrat (12) Zink umfasst.
  9. III-V-Halbleiterdiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die n--Schicht (16) und/oder die n+-Schicht Silizium und/oder Chrom und/oder Palladium und/oder Zinn umfassen.
  10. III-V-Halbleiterdiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein stapelförmige Schichtaufbau (100) bestehend aus dem p+-Substrat (12), der n--Schicht (16), der Zwischenschicht (14) und der n+-Schicht (18) monolithisch ausgebildet sind.
  11. III-V-Halbleiterdiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamthöhe eines stapelförmigen Schichtaufbaus (100) bestehend aus dem p+-Substrat (12), der n--Schicht (16), der Zwischenschicht (14) und der n+-Schicht (18) höchstens 150-500 µm beträgt.
  12. III-V- Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der stapelförmige Schichtaufbau (100) bestehend aus dem p+-Substrat (12), der n--Schicht (16), der Zwischenschicht (14) und der n+-Schicht (18) eine rechteckige oder quadratische Oberfläche mit Kantenlängen (L1, L2) zwischen 1 mm und 10 mm aufweist.
  13. III-V- Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der stapelförmige Schichtaufbau (100) bestehend aus dem p+-Substrat (12), der n--Schicht (16), der Zwischenschicht (14) und der n+-Schicht (18) eine runde, vorzugsweise ovale oder kreisförmige Oberfläche aufweist.
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