DE102017002936A1 - III-V-Halbleiterdiode - Google Patents

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Volker Dudek
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35 Power Electronics GmbH
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Abstract

Stapelförmige III-V-Halbleiterdiode (10), aufweisend eine n-Schicht (12) mit einer Dotierstoffkonzentration von mindestens 10N/cmund einer Schichtdicke (D1) von 50-675 µm, eine n-Schicht (14) mit einer Dotierstoffkonzentration von 10-10N/cm, einer Schichtdicke (D2) von 10-300 µm, eine p-Schicht (18) mit einer Dotierstoffkonzentration von 5•10-5•10cm, mit einer Schichtdicke (D3) größer 2 µm, wobei die Schichten in der genannten Reihenfolge aufeinander folgen, und jeweils eine GaAs-Verbindung umfassen, die n-Schicht (12) oder die p-Schicht (18) als Substrat ausgebildet ist und eine Unterseite der n-Schicht (14) stoffschlüssig mit einer Oberseite der n-Schicht (12) verbunden ist, und zwischen der n--Schicht (14) und der p+-Schicht (18) eine dotierte Zwischenschicht (15) angeordnet ist, und mit einer Oberseite und einer Unterseite und die Unterseite der Zwischenschicht (15) mit der Oberseite der n-Schicht (14) sowie die Oberseite der Zwischenschicht mit der Unterseite der p+-Schicht (18) stoffschlüssig verbunden ist, und wobei die Zwischenschicht (16) mit der n--Schicht (14) und mit der p+-Schicht (18) stoffschlüssig verbunden und p-dotiert ist, und die stapelförmige III-V-Halbleiterdiode (10) eine erste Defektschicht (16) mit einer Schichtdicke (D4) größer 0,5 µm umfasst, die Defektschicht (16) innerhalb der p-Schicht angeordnet ist und die Defektschicht (16) eine Defektkonzentration im einem Bereich zwischen 1•10N/cmund 5•10N/cmaufweist.

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. Es ist wünschenswert, dass hochspannungsfeste Halbleiterdioden neben der hohen Spannungsfestigkeit sowohl niedrige Durchschaltwiderstände als auch geringe Leckströme im Sperrbereich aufweisen.
  • 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 eine n+-Schicht, eine n--Schicht sowie eine p+-Schicht.
  • Die n+-Schicht weist eine Oberseite, eine Unterseite, eine Dotierstoffkonzentration von mindestens 1019 N/cm3 und eine Schichtdicke zwischen 50 µm und 400 µm auf, wobei das n+-Substrat eine GaAs-Verbindung umfasst oder aus einer GaAs Verbindung besteht.
  • Die n--Schicht weist eine Oberseite, eine Unterseite, eine Dotierstoffkonzentration von 1012-1016 N/cm3 und eine Schichtdicke von 10-300 µm auf und umfasst eine GaAs-Verbindung oder besteht aus einer GaAs Verbindung.
  • Die p+-Schicht mit einer Oberseite, einer Unterseite, einer Dotierstoffkonzentration von 5•1018-5•1020 N/cm3 und eine Schichtdicke (D4) zwischen 0,5 µm und 50 µm aufweist und eine GaAs-Verbindung umfasst oder besteht aus einer GaAs Verbindung besteht.
  • Die Schichten folgen in der genannten Reihenfolge aufeinander und sind monolithisch ausgebildet, wobei die n+-Schicht oder die p+-Schicht als Substrat ausgebildet ist und die Unterseite der n--Schicht stoffschlüssig mit der Oberseite der n+-Schicht verbunden ist.
    zwischen der n--Schicht (14) und der p+-Schicht (18) eine dotierte Zwischenschicht (15) mit einer Schichtdicke (D5) von 1-50 µm und einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1017 cm-3 angeordnet ist, und mit einer Oberseite und einer Unterseite und die Unterseite der Zwischenschicht (15) mit der Oberseite der n--Schicht (14) stoffschlüssig verbunden ist und die Oberseite der Zwischenschicht mit der Unterseite der p+-Schicht (18) stoffschlüssig verbunden ist,
    wobei die Zwischenschicht (16) mit der n--Schicht (14) und mit der p+-Schicht (18) stoffschlüssig verbunden und p-dotiert ist,
  • Die stapelförmige III-V-Halbleiterdiode umfasst außerdem eine erste Defektschicht. Die erste Defektschicht weist eine Schichtdicke zwischen 0,5 µm und |40|[VD1] µm auf, wobei die Defektschicht innerhalb der p-dotierten Zwischenschicht angeordnet ist und die Defektschicht eine Defektkonzentration im einem Bereich zwischen 1•1014 N/ cm3 und 5•1017 N/cm3 aufweist. Im Folgenden werden die Begriffe Zwischenschicht und p-Schicht synonym verwendet.
  • Es sei angemerkt, dass die Schichten mittels einer Flüssigphasenepitaxie oder mittels einer MOVPE Anlage hergestellt werden.
  • Es versteht sich, dass die Defektschicht sich auf unterschiedliche Weise, beispielsweise durch Implantation oder mittels Einbau von Fremdatomen erzeugen lässt und innerhalb der Defektschicht eine Rekombination von Ladungsträger erreicht wird.
  • Auch sei angemerkt, dass die Defektschicht möglichst nicht innerhalb der Raumladungszone ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Dicke der p-Schicht derart ausgebildet, so dass die Defektschicht von der Raumladungszone beabstandet ist.
  • Ein Vorteil ist, dass sich mittels des Einbaus der Defektschicht die Höhe der Leckströme im Sperrbereich reduzieren lässt, während im Durchlassbereich sich die Bauelementeeigenschaften nahezu unbeeinflusst sind. Insbesondere im Sperrbereich bei Spannung oberhalb 1000V machen sich Leckströme nachteilig bemerkbar.
  • Ferner steigen die Leckströme mit der Temperatur stark an. Durch den Einbau der Defektschicht lassen sich die Leckströme um mehr als eine Größenordnung gegenüber Dioden ohne Defektschicht reduzieren. Des Weiteren wird der Herstellungsprozess wesentlich robuster, d.h. unempfindlich gegen eine hohe Hintergrunddotierung.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass sich mit der erfindungsgemäßen III-V-Halbleiterdiode auf einfache Weise niedrige Leckströme bei Sperrspannungen in einem Bereich von 200V - 3300 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 anderer 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. Hierbei sind niedrige Leckströme aufgrund des exponentiellen Anstiegs mit steigender Temperatur besonders hilfreich.
  • In einer Weiterbildung liegt die Defektkonzentration im einem Bereich zwischen 1•1013 N/ cm3 und 5•1016 N/cm3. In einer anderen Weiterbildung beträgt die Dicke der Defektschicht zwischen 0,5 und 40 µm.
  • In einer ersten Ausführungsform weist die erste Defektschicht einen Abstand zu der Unterseite der p--Schicht von mindestens der Hälfte der Schichtdicke der p-Schicht auf.
  • Gemäß einer Weiterbildung weist die Halbleiterdiode eine zweite Defektschicht auf, wobei die zweite Defektschicht eine Schichtdicke in einem Bereich zwischen 0,5 µm und 40 µm, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 40 µm und eine Defektkonzentration im einem Bereich zwischen 1•1013N/ cm3 und 5•1016 N/cm3 aufweist und einen Abstand zu der Oberseite der p-Schicht von höchstens der Hälfte der Schichtdicke der p-Schicht aufweist. Vorzugsweise unterscheidet sich die Defektkonzentration der ersten Defektschicht von der zweiten Defektschicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die erste Defektschicht und/oder eine zweite Defektschicht mindestens einen ersten Schichtbereich mit einer ersten Defektkonzentration und einen zweiten Schichtbereich mit einer zweiten Defektkonzentration auf und folgt insbesondere über die Schichtdicke der ersten Defektschicht und/oder einer zweiten Defektschicht einer statistischen vorzugsweise Gauß-Verteilung. Anders ausgedrückt ist die Defektkonzentration entlang der Dicke der Defektschicht unterschiedlich.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfassen die erste Defektschicht und / oder die zweite Defektschicht Cr und/oder Indium und/oder Aluminium. Vorzugsweise wird Cr während des Epitaxieprozesses in die n--Schicht eingebaut. Ein Vorteil des Einbaus von Cr ist, dass mittels der Konzentration von Cr sich die Anzahl der Störstellen und hierdurch die Anzahl der Rekombinationszentren kostengünstig und auf einfache Weise einstellen lässt, ohne dass der Epitaxieprozess unterbrochen wird.
  • In einer anderen Ausführungsform sind in der ersten Defektschicht und / oder in der zweiten Defektschicht die Störstellen durch eine Implantation von Atomen oder Molekülen oder durch eine Elektronenstrahl-Bestrahlung erzeugt. Vorzugsweise wird zur Erzeugung von Störstellen H2 Moleküle mit der entsprechenden Energie und Dosis verwendet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt eine Gesamthöhe des stapelförmigen Schichtaufbaus bestehend aus der p+-Schicht, der p-dotierten Zwischenschicht, der n--Schicht und der n+-Schicht zwischen 150-800 µm.
  • Gemäß alternativer Ausführungsformen weist der stapelförmige Schichtaufbau bestehend aus der p+-Schicht, der p-dotierten Zwischenschicht ,der n--Schicht und der n+-Schicht eine rechteckige oder quadratische Oberfläche mit Kantenlängen zwischen 1 mm und 10 mm oder eine runde, vorzugsweise ovale oder kreisförmige Oberfläche auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die p+-Schicht der Halbleiterdiode durch eine Anschlusskontaktschicht ersetzt, wobei die Anschlusskontaktschicht ein Metall oder eine metallische Verbindung umfasst oder aus einem Metall oder einer metallischen Verbindung besteht und einen Schottky-Kontakt ausbildet.
  • 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 einer ersten erfindungsgemäße Ausführungsform einer III-V-Halbleiterdiode,
    • 2 eine Ansicht einer zweiten erfindungsgemäße Ausführungsform einer III-V-Halbleiterdiode,
    • 3 eine Aufsicht auf die III-V-Halbleiterdiode aus 1 oder aus 2,
    • 4 eine Ansicht einer dritte erfindungsgemäße Ausführungsform einer III-V-Halbleiterdiode,
    • 5 eine Ansicht einer vierte erfindungsgemäße Ausführungsform einer III-V-Halbleiterdiode.
  • Die Abbildung der 1 zeigt eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen stapelförmigen III-V-Halbleiterdiode 10, aufweisend eine n+-Schicht 12 als ein Substrat, eine mit der n+-Schicht 12 stoffschlüssig verbundene niedrig dotierte n--Schicht 14 und eine mit der n--Schicht 14 stoffschlüssig verbundene p-dotierte Zwischenschicht 15 und eine mit der Zwischenschicht stoffschlüssig verbundene p+-Schicht 18 sowie einen ersten Kontakt 20 und einen zweiten Kontakt 22. Innerhalb der p-Schicht 15 ist eine erste Defektschicht 16 angeordnet.
  • Der erste Kontakt 20 ist stoffschlüssig mit einer Unterseite der n+-Schicht 12 verbunden, während der zweite Kontakt 22 stoffschlüssig mit einer Oberseite der p+-Schicht 18 verbunden ist.
  • Die n+-Schicht 12 ist stark n-dotiert und weist eine Dotierstoffkonzentration von 1019 N/cm3. Eine Schichtdicke D1 der n+-Schicht 12 liegt zwischen 100 µm und 675 µm.
  • Die n--Schicht 14 ist niedrig n-dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1016 N/cm3 und weist eine Schichtdicke D2 von 10-300 µm auf.
  • Die p-Zwischenschicht 15 ist niedrig p-dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1017 N/cm3 und einer Schichtdicke D5 zwischen 1 µm und 50 µm.
  • Die p+-Schicht 18 ist stark p-dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration von 1019 N/cm3 und einer Schichtdicke D3 größer 2 µm.
  • Die erste Defektschicht 16 weist eine Schichtdicke D41 in einen Bereich zwischen 0,5 µm und 10 µm und eine Defektdichte im einem Bereich zwischen 1•1013 N/cm3 und 5•1016 N/cm3 auf.
  • In den Abbildungen der 2 ist eine zweite Ausführungsform einer III-V-Halbleiterdiode dargestellt, wobei der Unterschied zu der Abbildung der 1 darin liegt, dass die p+-Schicht 18 als Substrat ausgebildet ist, auf das die weiteren Schichten folgen.
  • In der Abbildung der 3 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 n+-Substrat 12, der die Defektschicht 16 umfassenden n--Schicht 14 und der p+-Schicht 18 weist einen rechteckigen Umfang und damit 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.
  • In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform sind die Ecken des stapelförmigen Schichtaufbaus 100 verrundet, um Feldstärkespitzen bei hohen Spannungen zu vermeiden.
  • In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform ist die Oberfläche des stapelförmigen Schichtaufbaus 100 rund ausgeführt. Hierdurch werden Überhöhungen der Feldstärke besonders effektiv reduziert. Vorzugsweise ist die Oberfläche kreisförmig oder oval ausgeführt.
  • In der Abbildung der 4 ist eine Weiterbildung der III-V-Halbleiterdiode aus 1 dargestellt, wobei die p-Zwischenschicht 15 der Halbleiterdiode 10 im Unterschied zu der ersten Ausführungsform eine zweite Defektschicht 24 mit einer Dicke 42 aufweist.
  • Die Schichtdicke D42 der zweiten Defektschicht 24 beträgt zwischen 0,5 µm und 40 µm. Die Defektkonzentration liegt zwischen 1•1013 N/cm3 und 5•1016 N/cm3. Der Abstand zu der Oberseite der p-Schicht weist höchstens die Hälfte der Schichtdicke D5 der Zwischenschicht auf.
  • In der Abbildung der 5 ist eine Weiterbildung der III-V-Halbleiterdiode aus 2 dargestellt, wobei die p-Schicht 15 der Halbleiterdiode 10 im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform eine zweite Defektschicht 24 aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ISBN 965-7094-19-4 [0002]

Claims (10)

  1. Stapelförmige III-V-Halbleiterdiode (10), aufweisend - eine n+-Schicht (12) mit einer Oberseite, einer Unterseite, einer Dotierstoffkonzentration von mindestens 1019 N/cm3 und einer Schichtdicke (D1) von 50-675 µm, wobei die n+-Schicht (12) eine GaAs-Verbindung umfasst oder aus einer GaAs Verbindung besteht, - eine n--Schicht (14) mit einer Oberseite und einer Unterseite, einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1016 N/cm3, einer Schichtdicke (D2) von 10-300 µm und eine GaAs-Verbindung umfasst oder aus einer GaAs Verbindung besteht, - eine p+-Schicht (18) mit einer Oberseite, einer Unterseite, einer Dotierstoffkonzentration von 5•1018-5•1020 N/cm3, mit einer Schichtdicke (D3) größer 2 µm und eine GaAs-Verbindung umfasst oder aus einer GaAs Verbindung besteht, wobei - die Schichten in der genannten Reihenfolge aufeinander folgen und monolithisch ausgebildet sind, - die n+-Schicht (12) oder die p+-Schicht (18) als Substrat ausgebildet ist und - die Unterseite der n--Schicht (14) stoffschlüssig mit der Oberseite der n+-Schicht (12) verbunden ist, zwischen der n--Schicht (14) und der p+-Schicht (18) eine dotierte Zwischenschicht (15) mit einer Schichtdicke (D5) von 1-50 µm und einer Dotierstoffkonzentration von 1012-1017 N/cm3 angeordnet ist, und mit einer Oberseite und einer Unterseite und die Unterseite der Zwischenschicht (15) mit der Oberseite der n--Schicht (14) stoffschlüssig verbunden ist und die Oberseite der Zwischenschicht mit der Unterseite der p+-Schicht (18) stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Zwischenschicht (16) mit der n--Schicht (14) und mit der p+-Schicht (18) stoffschlüssig verbunden und p-dotiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die stapelförmige III-V-Halbleiterdiode (10) eine erste Defektschicht (16) mit einer Schichtdicke (D41) zwischen 0,5 µm und 40 µm aufweist, - wobei die Defektschicht (16) innerhalb der p-Schicht angeordnet ist, - die Defektschicht (16) eine Defektkonzentration im einem Bereich zwischen 1•1013 N/cm3 und 5•1016 N/cm3 aufweist.
  2. III-V-Halbleiterdiode (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die erste Defektschicht (16) einen Abstand zu der Unterseite der p-Schicht (15) von mindestens die Hälfte der Schichtdicke (D5) der p-Schicht (15) aufweist.
  3. III-V-Halbleiterdiode (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterdiode (10) eine zweite Defektschicht (24) aufweist, wobei die zweite Defektschicht (24) eine Schichtdicke (D42) zwischen 0,5 µm und 40 µm und eine Defektkonzentration zwischen 1•1013 N/cm3 und 5•1016 N/cm3 aufweist und einen Abstand zu der Oberseite der p-Schicht von höchstens die Hälfte der Schichtdicke (D5) der p-Schicht (15) aufweist.
  4. III-V-Halbleiterdiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Defektschicht (16) und / oder eine zweite Defektschicht (24) jeweils einen ersten Schichtbereich mit einer ersten Defektkonzentration und einen zweiten Schichtbereich mit einer zweiten Defektkonzentration aufweist.
  5. III-V-Halbleiterdiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Defektkonzentration über die Schichtdicke (D41, D42) der ersten Defektschicht (16) und / oder einer zweiten Defektschicht (24) einer statistischen-Verteilung folgt.
  6. III-V-Halbleiterdiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Defektschicht (16) und / oder die zweite Defektschicht (24) Cr und/oder Indium und/oder Aluminium umfasst.
  7. III-V-Halbleiterdiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamthöhe eines stapelförmigen Schichtaufbaus (100) bestehend aus dem p+-Schicht (18), der n--Schicht (14), der p-dotierten Zwischenschicht und der n+-Schicht (12) höchstens 150-800 µm beträgt.
  8. III-V- Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der stapelförmige Schichtaufbau (100) bestehend aus dem p+-Schicht (18), der n--Schicht (14), der p-dotierten Zwischenschicht (15) und der n+-Schicht (12) eine rechteckige oder quadratische Oberfläche mit Kantenlängen (L1, L2) zwischen 1 mm und 10 mm aufweist.
  9. III-V- Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der stapelförmige Schichtaufbau (100) bestehend aus dem p+-Schicht (18), der n--Schicht (14), der p-dotierten Zwischenschicht (15) und der n+-Schicht (12) eine runde oder ovale oder kreisförmige Oberfläche aufweist.
  10. III-V-Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die p+-Schicht (18) der Halbleiterdiode (10) durch eine Anschlusskontaktschicht ersetzt ist, wobei die Anschlusskontaktschicht ein Metall oder eine metallische Verbindung umfasst oder aus einem Metall oder einer metallischen Verbindung besteht und einen Schottky-Kontakt ausbildet.
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