DE1033786B - Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Gleichrichters - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Gleichrichters

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DE1033786B DEW15753A DEW0015753A DE1033786B DE 1033786 B DE1033786 B DE 1033786B DE W15753 A DEW15753 A DE W15753A DE W0015753 A DEW0015753 A DE W0015753A DE 1033786 B DE1033786 B DE 1033786B
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Description

DEUTSCHES
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, die Leistungsbelastbarkeit eines Halbleitergleichrichters zu erhöhen. In Verbindung damit wird mit der Erfindung das Ziel verfolgt, den Wirkungsgrad von gleichrichtenden Halbleiterelementen zu verbessern und deren Größe zu verringern, und außerdem die Möglichkeit zu schaffen, solche gleichrichtenden Elemente für den Betrieb bei höherer Umgebungstemperatur geeignet zu machen.
Zur Verwirklichung dieser Ziele schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer neuen Form eines Halbleitergleichrichters vor.
Das wichtigste Problem bei der Bemessung eines Gleichrichterelementes sind die inneren Verluste, welche zu einer Überhitzung des Gleichrichters führen. Wenn der Gleichrichter dem Strom in der Vorwärtsrichtung einen merklichen Widerstand entgegensetzt, so wird im Gleichrichter eine beträchtliche Leistung verzehrt, wenn große Ströme entnommen werden. Die Folge davon ist, daß einerseits ein Verlust an Leistungsfähigkeit auftritt und daß andererseits eine Erwärmung des Elementes stattfindet, welche unerwünscht ist, da sie die Größe des gefahrlos zu entnehmenden Stroms begrenzt.
Eine andere Ursache für die inneren Verluste ist durch auftretende Rückströme bedingt. Wenn der Rückstrom groß ist, kann er, wie es z. B. bei Germanium der Fall ist, der für die Begrenzung bestimmende Faktor sein und nicht der Strom in der Vorwärtsrichtung. Da irgendwelche inneren Verluste nicht vermeidbar sind, so besteht ein weiterer wichtiger Faktor bezüglich der Leistungsbelastbarkeit eines Gleichrichters in der Wärmemenge, welche der Gleichrichter ohne Schaden aufnehmen kann, d. h. in seiner Fähigkeit, Temperatursteigerungen über die Umgebungstemperatur auszuhalten. Bei Germanium z. B., welches in vielerlei Hinsicht für die Verwendung als Halbleitergleichrichtermaterial geeignet ist, können keine merklichen Temperaturerhöhungen gegenüber der Umgebungstemperatur zugelassen werden.
Verschiedene andere Materialien sind bisher für die Herstellung von Halbleitergleichrichtern verwendet worden, aber keines derselben hat sich hinsichtlich innerer Verluste und hinsichtlich der Fähigkeit einer befriedigenden Arbeitsweise bei höherer Temperatur als voll brauchbar erwiesen. Demzufolge müssen bei Gleichrichtern der vorbekannten Ausführungen umständliche Kühlungsmaßnahmen getroffen werden, wenn größere Ströme entnommen werden sollen.
Als besonders vorteilhaft hat sich für Halbleitergleichrichter gereinigtes Silizium erwiesen. Es kann so behandelt werden, daß es Vorwärtsströmen einen nur geringen Widerstand, Rückströmen aber einen sehr hohen Widerstand bietet. Es besitzt eine elek-Verfahren zur Herstellung
eines Silizium-Gleichrichters
Anmelder:
Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. März 1954
Gerald Leondus Pearson,
Bernards Township, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
ironische Stabilität bis zu 200° C und läßt Erhitzungen bis zu dieser Höhe zu, ohne daß ernsthafte Beeinträchtigungen auftreten. In dieser Hinsicht besteht ein wesentlicher Unterschied gegenüber anderen Halbleiterkörpern, z. B. Germanium.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Flächengleichrichters mit einer dicken Zwischenzone verhältnismäßig hohen Widerstands eines Leitungstyps zwischen einem gleichrichtenden und einem ohmschen Übergang. Erfindungsgemäß wird nach dem bekannten Diffusionsverfahren in einem erhitzten η-leitenden Siliziumkristall zunächst Bor, z. B. aus einer Bortrichloridverbindung, in die Oberfläche eindiffundiert, so daß eine p-Schicht kleinen Widerstands erzeugt wird, dann die entstandene dünne p-Schicht auf mindestens einer Oberflächenschicht entfernt wird und anschließend diese Schicht in Phosphordampf weitererhitzt, d. h. so dotiert wird, daß eine n+-Zone mit einer hohen Leitfähigkeit entsteht, welche aber kleiner ist als diejenige der zuerst erzeugten p-Schicht.
Die Dotierung erfolgt mit Hilfe der bekannten Dampfdiffusionsverfahren. Die Wahl von Bor als Akzeptor für die p-leitende Oberflächenzone bietet die Möglichkeit, eine dünne, von Bor durchsetzte p-leitende Endschicht geringen Widerstands herzustellen. Eine solche Schicht mit eindiffundiertem Bor eignet sich sehr gut für die Anbringung eines ohmschen Anschlusses von geringem Widerstand. Dies ist von
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beträchtlicher Bedeutung, wenn die inneren Verluste zone 13, deren Stärke 0,013 mm beträgt und welche möglichst gering gehalten werden sollen. eine solche Phosphorkonzentration besitzt, daß der In ähnlicher Weise bietet die Wahl von Phosphor spezifische Widerstand 0,01 Ohm · cm beträgt, umfaßt, als Donator für die Behandlung der n+-Zone die Ein solcher Körper kann in üblicher Weise beispiels-Möglichkeit, eine dünne Endschicht geringen Wider- 5 weise unter Anwendung der Dampfdiffusionstechnik stands herzustellen. Durch passende Einstellung der hergestellt werden. Danach wird ein zylindrisches spezifischen Widerstände der p-Zone und der n-Zone η-leitendes Siliziumblättchen in einer Atmosphäre * kann eine n+-Oberflächenzone örtlich angebracht wer- aus Bortrichlorid bei erhöhter Temperatur für eine den, welche sich an die η-Zone anschließt, und zwar so lange Zeit erhitzt, daß auf dem Blättchen eine durch Dampfdiffusion von Phosphor, wobei sich kein io dünne p-leitende Oberfläche entsteht. Die p-Schjcht merklicher Einfluß auf die p-Schicht aus Bor zeigt. wird dann an einer flachen Endfläche des Blättchens Die Anbringung einer n+-Schicht durch Diffusion von entfernt, um die η-Zone freizugeben. Durch anschlie-Phosphor ermöglicht die Anbringung eines ohmschen ßende weitere Erhitzung in einer Phosphoratmosphäre Anschlusses von geringem Widerstand an die η-Seite wird auf der freigelegten η-Fläche eine n+-Schicht der gleichrichtenden Verbindung. Das ist aus folgen- 15 erzeugt. Infolge der besonderen Wahl der Widerden Erwägungen bedeutungsvoll. Um einen ohmschen Standscharakteristik bleibt die Oberfläche der p-Zone ' Anschluß geringen Widerstands an der Oberfläche mit geringem Widerstand unbeeinflußt durch die eines Halbleiters anzubringen, ist es wichtig, den Phosphoratmosphäre, so daß eine zusätzliche Behänd-Kontakt an einer Zone geringen Widerstands herzu- lung der p-Zone nicht erforderlich ist. Um diese Verstellen. Um einen ohmschen Widerstand geringen 20 einfachung der Dotierung zu verwirklichen, ist es Widerstands an der p-Endzone anzubringen, ist es wichtig, eine p-Schicht zu haben, deren spezifischer demgemäß wesentlich, daß eine p-Zone von niedrigem Widerstand kleiner ist als derjenige der n+-Schicht. Widerstand zur Verfugung steht. Um jedoch eine Daraus ergibt sich ein Faktor für die Tatsache, daß günstige Sperrcharakteristik bei einem pn-übergang die erläuterte Ausbildung einer anderen erfindungszu erhalten, ist es wichtig, daß in wenigstens einer 25 gemäßen Ausführung überlegen ist, welche einen der beiden an dem Übergang beteiligten Zonen ein Siliziumkörper mit einer p-leitenden Zwischenzone, höherer spezifischer Widerstand besteht. Es ist daher eine dünne η-leitende Endzone mit einer Konzentrazwecks Verwirklichung einer guten Sperrkennlinie er- tion von Phosphorverunreinigungen und eine noch forderlich, mit der p-Zone von geringem Widerstand dünnere p+-Endzone mit einer Konzentration von eine η-Zone von relativ hohem Widerstand zu ver- 30 Borverunreinigungen umfaßt. Es ist danach notbinden. Es ist schwierig, an eine η-Zone von hohem wendig, die Zylinderfläche, welche das Blättchen umWiderstand einen ohmschen Anschluß geringen gibt, abzuschleifen, um eine einfache Zusammenstel-Widerstands anzubringen. Aber durch die Herstellung lung von n+-, n- und p-Zonen zu erhalten, einer dünnen n+-Endzone durch zusätzliche Behänd- An die beiden Endzonen werden ohmsche Anlung mit Phosphor ist die Möglichkeit geschaffen, 35 Schlüsse von geringem Widerstand angebracht, indem einen ohmschen Anschluß geringen Widerstands an man geeignetes, keine Verunreinigungen verursachendie η-Zone anzubringen. des Metall, z. B. Rhodium, elektrolytisch nieder- r
Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung be- schlägt, um Überzüge 14, 15 zu bilden. An diesen
steht in dem speziellen Herstellungsverfahren, wel- Überzügen 14, 15 werden danach Kupferzuführungen
ches äußerst geringe innere Widerstände schafft und 40 angeschlossen.
hinsichtlich der relativen Einfachheit der Herstellung Ein Gleichrichtermuster der beschriebenen Art hat Vorteile bietet. Dieses Verfahren ergibt einen Ein- sich für eine lange Betriebsdauer bei einem mittleren kristall-Siliziumkörper, der eine verhältnismäßig dicke Strom von 15 A, bezogen auf eine Gleichrichtungsn-leitende Zwischenzone mit einem spezifischen Wider- fläche von lern2, als sehr zufriedenstellend erwiesen, stand von etwa 0,3 Ohm · cm, eine dünne p-leitende 45 wobei keine besonderen Vorkehrungen zur Kühlung Endzone, die durch Diffusion gewonnen ist und eine getroffen werden. Eine solche Leistung würde selbst solche Konzentration an Borverunreinigungen enthält, im Sinne der vorbekannten Gleichrichter-Standarddaß ein spezifischer Widerstand von 0,001 Ohm·cm formen als beachtlich zu gelten haben, entsteht, und eine weitere dünnere ri+-Endzone um- Fig. 2 veranschaulicht schematisch die Art und faßt, welche durch Diffusion gewonnen wird, und eine 50 Weise, in welcher zwei Gleichrichtungselemente besolche Konzentration an Phosphorverunreinigun- nutzt werden können, um eine Vollweggleichrichtung gen enthält, daß der spezifische Widerstand etwa eines Wechselsignals durchzuführen. Die gleichzu-0,01 Ohm ■ cm beträgt, wobei an den beiden Endzonen richtende Wechselspannung wird von einem gemeinohmsche Anschlüsse aus Rhodium angebracht sind. samen Generator 21 an die Primärwicklung 22 des Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung 55 Leistungstransformators 23 angelegt. Die mittlere wird auf die Zeichnung Bezug genommen. In der Anzapfung 24 der Sekundärwicklung 25 des TransZeichnung zeigt formators ist an eine Seite der Last angeschlossen, Fig. 1 den Querschnitt eines Gleichrichterelementes welche hier schematisch als Widerstand 26 dargestellt nach der Erfindung, ist. Die andere Seite des Widerstands ist mit den Fig. 2 eine mit zwei Gleichrichterelementen ausge- 60 metallischen Überzügen verbunden, die zu den stattete Schaltung zur Vollweggleichrichtung. n+-Endzonen der Gleichrichtungselemente 31 und 32 Bei dem Gleichrichtungselement 10 nach Fig. 1, gehören. Die beiden Enden der Sekundärwicklung 25 welches eine spezielle Ausführungsform im Sinne der stehen mit den Metallüberzügen in Verbindung, die Erfindung darstellt, ist ein Einkristall-Siliziumkörper zu den p-Endzonen der Elemente 31 und 32 gehören, vorgesehen, welcher eine η-leitende Zwischenzone 11 65 Es ist ohne weiteres erkennbar, daß verschiedene mit einem spezifischen Widerstand von 0,3 Ohm -cm andere Ausführungsformen möglich sind, um eine und von einer Stärke von 0,76 mm, eine p-leitende Vollweggleichrichtung zu verwirklichen. Endzone 12, die eine Stärke von 0,038 mm und eine Ein Gleichrichtungselement der beschriebenen Art solche Borkonzentration besitzt, daß der spezifische kann natürlich in verschiedenen Formen und Größen Widerstand 0,001 Ohm-cm beträgt, und eine n+-End- 70 hergestellt werden, um es der speziellen Leistungs-
belastbarkeit anzupassen. Diese Strombelastbarkeit ist in erster Linie durch seine Oberflächengröße bestimmt. Seine Fähigkeit, hohen Sperrspannungen zu widerstehen, ist durch den spezifischen Widerstand der beiden Zonen bestimmt, welche den pn-übergang bilden. Es sind um so höhere spezifische Widerstände erforderlich, je höher die Sperrspannungen sind. Das erläuterte Gleichrichtungselement ist so bemessen, daß es Sperrspannungen von etwa 95 Volt Widerstand leisten kann. Bei Ausbildung der Zwischenzone mit einem spezifischen Widerstand von 0,3 Ohm·cm ergeben sich Sperrspannungen von etwa 225 Volt.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Flächengleichrichters mit einer dicken Zwischenzone verhältnismäßig hohen Widerstands eines Leitungstyps zwischen einem gleichrichtenden und einem ohmschen Übergang, dadurch gekennzeich- ao net, daß nach dem bekannten Diffusionsverfahren in einem erhitzten η-leitenden Siliziumkristall zunächst Bor, ζ. B. aus einer Bortrichloridverbindung, in die Oberfläche eindiffundiert wird, so1 daß eine p-Schicht kleinen Widerstands erzeugt wird, dann die entstandene dünne p-Schicht auf mindestens einer Oberflächenschicht entfernt wird und anschließend diese Schicht in Phosphordampf weitererhitzt, d. h. so dotiert wird, daß eine n+-Zone mit einer hohen Leitfähigkeit entsteht, welche aber kleiner ist als diejenige der zuerst erzeugten p-Schicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwischenzone ein Siliziumkristall mit einem spezifischen Widerstand von 0,3 Ohm-cm verwendet wird und die Dampf dotierung so geleitet wird, daß eine gleichrichtende p-leitende Schicht vom spezifischen Widerstand 0,001 Ohm-cm und eine ohmsche ri+-leitende Schicht vom spezifischen Widerstand 0,01 Ohm · cm erzielt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung S 27348 VIIIc/21g
(bekanntgemacht am 25. 6. 1953);
USA.-Patentschriften Nr. 2 603 693, 2 561 411;
Proc. IRE, Bd. 40 (1952), S. 1512 bis 1516;
Zeitschrift »Das Elektron«, Bd. 5 (1951/52),
S. 429, 435;
R. Rost, Kristalloden-Technik, 1954,Berlin, S.20;
Torrey-Whitmer, Crystal Rectifiers, New York 1948, S. 364, 365.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 809 560/370 7.58
DEW15753A 1954-03-05 1955-01-15 Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Gleichrichters Pending DE1033786B (de)

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