DE1046782B - Semiconductor arrangement with a disk-shaped, essentially monocrystalline semiconductor base - Google Patents
Semiconductor arrangement with a disk-shaped, essentially monocrystalline semiconductor baseInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
Die Erfindung betrifft eine verbesserte Ausführung eines Halbleitergerätes mit scheibenförmigem, im wesentlichen einkristallinem Grundkörper von gegebenem Leitfähigkeitstyp und mit mehreren, auf verschiedenen Seiten der Halbleiterscheibe angebrachten, großflächigen Metallelektroden, von denen mindestens eine als Sperrelektrode ausgebildet ist und als solche betrieben wird. Diese weist gegen das Körperinnere hin eine vorgelagerte Schicht mit umgekehrtem Leitfähigkeitstyp auf. Zwischen dieser Schicht und dem übrigen Teil der Halbleiterscheibe, der seinen ursprünglichen Leitfähigkeitstyp behalten hat, befindet sich ein p-n-Übergang, welcher während des Betriebes in Sperrichtung beansprucht wird.The invention relates to an improved embodiment of a semiconductor device with a disk-shaped, im essential monocrystalline base body of a given conductivity type and with several Large-area metal electrodes attached to different sides of the semiconductor wafer, of which at least one is designed as a blocking electrode and is operated as such. This points towards the inside of the body an upstream layer with the opposite Conductivity type. Between this layer and the remaining part of the semiconductor wafer, his has retained the original conductivity type, there is a p-n junction, which during operation is claimed in the blocking direction.
Beispiele solcher Halbleitergeräte sind unter anderem die bekannten Flächengleichrichter mit p-n-Übergang, die aus Germanium, Silizium od. dgl. durch Einlegieren einer sperrenden Elektrode und einer sperrfreien Gegenelektrode hergestellt sind. Diese p-n-Gleichrichter sind in der Regel so ausgebildet, daß die sperrfreie Elektrode zugleich die Trägerelektrode ist und die eine Seite der meist etwa kreisrunden Halbleiterscheibe vollständig oder nahezu vollständig bedeckt, während die auf der anderen Seite befindliche Sperrelektrode meist einen kleineren Durchmesser hat. Damit wird erreicht, daß die in der Nähe des Randes der Sperrelektrode befindliche, im folgenden als »äußere p-n-Grenze« bezeichnete Linie, an welcher der p-n-Übergang an die Kristalloberfläche tritt, für die weitere Behandlung z. B. durch Ätzen, auch dann gut zugänglich ist, wenn der Halbleiterkörper auf der sperrfrei kontaktierten Seite bereits mit einem metallenen Trägerkörper versehen ist; der letztere wird nämlich vorteilhaft durch denselben Erhitzungsvorgang, der zum Einlegieren der Elektroden erforderlich ist, gleich mit angelötet oder auflegiert. Die beschriebene Bauart der bekannten p-n-Gleichrichter hat aber den Nachteil, daß Überbrükkungen der äußeren p-n-Grenze, selbst wenn sie kleinstes Ausmaß haben, sich als unmittelbare Kurzschlüsse auswirken und die Sperrwirkung erheblich beeinträchtigen oder zunichte machen; denn der Abstand der äußeren p-n-Grenze von der Gegenelektrode ist im wesentlichen derselbe wie der Abstand der ganzen Fläche des p-n-Überganges von der Gegenelektrode, und zwar nahezu gleich der Dicke des Halbleiterkörpers. Examples of such semiconductor devices include the well-known surface rectifiers with p-n junction, those made of germanium, silicon or the like. By alloying a blocking electrode and a non-blocking counter electrode are made. These p-n rectifiers are usually designed in such a way that that the barrier-free electrode is at the same time the carrier electrode and one side of the usually approximately circular Semiconductor wafer completely or almost completely covered, while those on the other The blocking electrode on the side usually has a smaller diameter. This ensures that the Line located near the edge of the barrier electrode, hereinafter referred to as the »outer p-n limit«, at which the p-n junction occurs on the crystal surface, for further treatment z. B. by etching, is also easily accessible when the semiconductor body is already on the side with which contact is free is provided with a metal support body; namely, the latter becomes advantageous through it Heating process that is required for alloying the electrodes, soldered or alloyed at the same time. The described design of the known p-n rectifier has the disadvantage that bridges the outer p-n limit, even if they are of the smallest extent, prove to be immediate short circuits have an effect and significantly impair or destroy the blocking effect; because the distance the outer p-n boundary from the counter electrode is essentially the same as the distance of the entire area of the p-n junction from the counter electrode, almost equal to the thickness of the semiconductor body.
Das trifft dem Wesen nach auch für eine bekannte Halbleiteranordnung zu, deren Sperrelektrode die eine Seite der Halbleiterscheibe vollständig bedeckt, während die auf der gegenüberliegenden Seite befindliche sperrfreie Gegenelektrode eine kleinere Fläche hat; hier ist nämlich der Abstand der äußeren p-n-Grenze kleiner als das Zweifache der direkten StrombahnEssentially, this also applies to a known semiconductor device, the blocking electrode of which is one Side of the semiconductor wafer completely covered, while the one on the opposite side non-barrier counter electrode has a smaller area; namely, here is the distance from the outer p-n boundary less than twice the direct current path
HalbleiteranordnungSemiconductor device
mit scheibenförmigem, im wesentlichenwith disc-shaped, essentially
einkristallinem Halbleitergrundkörpermonocrystalline semiconductor base body
Anmelder:Applicant:
Siemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen, :
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Siemens-Schuckertwerke
Corporation,
Berlin and Erlangen,:
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Pipl.-Phys. Reimer Bmeis, Pretzfeld (Bay.),
ist als Erfinder genannt wordenPipl.-Phys. Reimer Bmeis, Pretzfeld (Bay.),
has been named as the inventor
zwischen den beiden Elektroden, so daß ein Kurzschlußstrom, der sich an einer Überbrückungsstelle der äußeren p-n-Grenze bildet, immer noch einen verhältnismäßig geringen Widerstand auf seiner Bahn vorfindet und infolgedessen die Gleichrichterwirkung praktisch zunichte machen kann.between the two electrodes, so that a short-circuit current that is at a bridging point the outer p-n boundary, still forms a relatively low resistance on its path finds and as a result can practically destroy the rectifier effect.
Die erwähnten Überbrückungen der äußeren p-n-Grenze können sich unter den verschiedensten Einflüssen ausbilden. Ihre Vermeidung bzw. Beseitigung bei der Weiterbehandlung der Gleichrichterelemente erfordert meist besondere Vorkehrungen und zusätzliche Behandlungsvorgänge. Durch sie ist auch die Einbettung oder gasdichte Kapselung der fertigen Halbleitergeräte hauptsächlich bedingt.The above-mentioned bridging of the outer p-n limit can vary under the most varied of influences form. Their avoidance or elimination in the further treatment of the rectifier elements usually requires special precautions and additional treatment procedures. It is through them too Embedding or gas-tight encapsulation of the finished semiconductor devices mainly conditional.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, dafür zu sorgen, daß die Strombahn von der äußeren p-n-Grenze bis zur sperrfreien Elektrode einen viel höheren elektrischen Widerstand pro Flächeneinheit des Bahnquerschnittes aufweist als die Strombahn des betriebsmäßigen Stromes von einer Elektrode bis zur anderen; dann ist eine Überbrückung der äußeren p-n-Grenze kein direkter Kurzschluß mehr, sondern nur noch ein mit Widerstand behafteter Nebenschluß.The invention is based on the task of ensuring that the current path from the outer p-n limit up to the barrier-free electrode a much higher electrical resistance per unit area of the path cross-section than the current path of the operational current from one electrode to the others; then bridging the outer p-n limit is no longer a direct short circuit, but rather just a shunt with resistance.
Der Lösungsgedanke, der zur Erfindung führte, besteht darin, das genannte Ziel hauptsächlich durch geeignete Anordnung der Elektroden auf der Halbleiterscheibe zu erreichen. Demzufolge betrifft die Erfindung eine Halbleiteranordnung mit scheibenförmigem, im wesentlichen einkristallinem Halbleitergrundkörper, ζ. B. aus Silizium, von gegebenem Leitfähigkeitstyp und mehreren auf verschiedenen Seiten der Halbleiterscheibe angebrachten großflächigen Metallelektroden, von denen mindestens eine als Sperr-The idea that led to the invention is to achieve the stated aim mainly to achieve suitable arrangement of the electrodes on the semiconductor wafer. Accordingly, the Invention a semiconductor arrangement with a disk-shaped, essentially monocrystalline semiconductor base body, ζ. B. made of silicon, of a given conductivity type and several on different sides large-area metal electrodes attached to the semiconductor wafer, at least one of which is used as a
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elektrode mit einer gegen- das Körperinnere hin vor* gelagerten Schicht mit umgekehrtem Leitfähigkeitstyp und einem anschließenden p-n-Ubergang ausgebildet ist und eine größere Fläche der Halbleiterscheibe-als eine ihr auf der anderen jSeite der Halbleiterscheibe direkt gegenüberliegende Gegenelektrode bedeckt. Die Erfindung besteht darin, daß der Abstand zwischen der äußeren p-n-Grenze und dem Rande der Gegenelektrode ein Mehrfaches des Abstandes zwischen den Flächen der beiden Elektroden beträgt. Dadurch wird das Halbleitergerät gegen Überbrückungen der äußeren p-n-Grenze unempfindlich. Es reagiert darauf nicht mehr mit einem Verlust der Sperrwirkung, ja unter günstigen Umständen sogar nicht einmal mit einer merklichen Verschlechterung der Gleichrichterkennlinie. Solche günstigen Umstände liegen beispielsweise vor, wenn der Abstand zwischen dem Rande der Sperrelektrode und der sperrfreien Gegenelektrode ein Mehrfaches der Scheibendicke beträgt. Dabei wird die Scheibendicke in erster Annäherung dem Elektrodenabstand gleichgesetzt.Electrode with a layer facing the inside of the body with the opposite conductivity type and a subsequent p-n junction is formed and a larger area of the semiconductor wafer than one of them on the other jside of the semiconductor wafer directly opposite counter electrode covered. The invention is that the distance between the outer p-n boundary and the edge of the counter electrode a multiple of the distance between the Areas of the two electrodes. This prevents the semiconductor device from bridging the external p-n limit insensitive. It no longer reacts to this with a loss of the blocking effect, yes under favorable circumstances, not even with a noticeable deterioration in the rectifier characteristic. Such favorable circumstances exist, for example, when the distance between the edge the barrier electrode and the barrier-free counter electrode is a multiple of the thickness of the pane. It will the slice thickness is, as a first approximation, equated with the electrode spacing.
In den Fig. 1 bis 6 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung in stark vergrößertem Maßstabe dargestellt, und zwar zeigen die Fig. 1 bis 3 Durchmesserschnittprofile verschiedener Halbleitergeräte mit annähernd kreisrunden Scheiben. Daraus lassen sich passende Elektrodenanordnungen auch für andere Scheibenformen sinngemäß ableiten. Die Fig. 4 bis 6 zeigen einige Einzelheiten. Einander entsprechende Teile sind in den verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.In FIGS. 1 to 6, various exemplary embodiments of the invention are shown on a greatly enlarged scale 1 through 3 show diameter section profiles of various semiconductor devices with almost circular disks. From this, suitable electrode arrangements can also be made for derive other disc shapes accordingly. Figures 4 to 6 show some details. Corresponding to each other Parts are provided with the same reference symbols in the various figures.
Das Halbleitergerät nach Fig. 1 besteht aus einem Grundkörper 2, z. B. aus einem p-leitenden Silizium-Einkristall. Auf seiner Oberseite befindet sich eine sperrfreie Elektrode 3, z. B. eine einlegierte Aluminiumfolie, deren Durchmesser 2rx halb so groß sein möge wie der Scheibendurchmesser 2r2. Auf der Unterseite der Halbleiterscheibe befindet sich eine Elektrode 4 z. B. aus Gold mit einem geringen Antimongehalt von etwa I11Io, die ebenfalls einlegiert ist. Durch den Legierungsprozeß ist der Leitfähigkeitstyp einer vorgelagerten Schicht der Halbleiterscheibe 2 umgewandelt worden. Zwischen dieser n-leitenden Schicht und dem p-leitend gebliebenen Teil der Scheibe befindet sich der durch eine gestrichelte Linie angedeutete p-n-Übergang, der bei der angenommenen gleichmäßigen Eindringtiefe des Elektrodenmetalls als eben betrachtet werden kann. Er tritt an dem zylindrischen Teil der Scheibe an die Oberfläche. Hier befindet sich also die äußere p-n-Grenze. Ist diese auf ihrer ganzen Länge kurzgeschlossen, so liegt mit dem Kurzschluß bei gleichmäßiger Scheibendicke d, wie in Fig. 1 links dargestellt, immer noch ein WiderstandThe semiconductor device according to FIG. 1 consists of a base body 2, for. B. from a p-conductive silicon single crystal. On its top there is a lock-free electrode 3, e.g. B. an alloyed aluminum foil, the diameter of which may be 2r x half as large as the disc diameter 2r 2 . On the underside of the semiconductor wafer there is an electrode 4 z. B. made of gold with a low antimony content of about I 11 Io, which is also alloyed. The conductivity type of an upstream layer of the semiconductor wafer 2 has been converted by the alloying process. Between this n-conducting layer and the part of the pane that has remained p-conducting is the pn junction indicated by a dashed line, which can be regarded as flat given the assumed uniform penetration depth of the electrode metal. It comes to the surface on the cylindrical part of the disc. This is where the outer pn limit is located. If this is short-circuited over its entire length, there is still a resistance to the short-circuit with a uniform pane thickness d, as shown on the left in FIG. 1
in Reihe, wenn ρ der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers ist. Dieser Widerstand wird gebildet von dem im folgenden als »Schutzrand« bezeichneten freien Teil. Durch Dünnätzen oder Abschleifen dieses Teiles der Halbleiterscheibe 2 zwischen dem Umfang der sperr freien Elektrode 3 und der äußeren p-n-Grenze, wie in Fig. 1 rechts dargestellt, sowie durch Wahl eines möglichst hochohmigen Halbleitermaterials kann der Xebenschlußwiderstand, d. h. der mit der Überbrückung der äußeren p-n-Grenze in Reihe liegende Widerstand, welchen ein über die Überbrückung fließender Leckstf om auf seinem Wege durch den Halbleiterkörper vorfindet, hoch erhöht werden.in series if ρ is the specific resistance of the semiconductor body is. This resistance is formed by what is referred to in the following as the "protective edge" free part. By thinly etching or grinding this part of the semiconductor wafer 2 between the circumference the non-blocking electrode 3 and the outer p-n boundary, as shown in Fig. 1 on the right, as well as through The choice of a semiconductor material with the highest possible resistance can be the shunt resistor, i. H. the one with the Bridging the outer p-n limit in series resistance, which one over the bridging flowing Leckstf om finds on its way through the semiconductor body, are highly increased.
Auf der Unterseite der Scheibe befindet sich ein metallener Trägerkörper 5. Vorteilhaft wird dafür ein Metall gewählt, dessen Wärmedehnungsziffer derjenigen des Halbleitermaterials möglichst nahe kommt. Für Silizium haben sich beispielsweise Wolfram und Molybdän als geeignete Trägermetalle erwiesen. Der Trägerkörper 5 kann zugleich so ausgebildet sein, daß er die Kühlwirkung erhöht. Er kann auch mit besonderen Kühlvorrichtungen versehen sein, die gegebenenfalls aus anderem Metall bestehen können, z. B. mit einem Kühlklotz von großer Wärmekapazität aus Kupfer, oder mit Kühlkanälen, welche von einer Flüssigkeit durchströmt werden, oder mit Kühlrippen usw. Der Trägerkörper kann auf die Sperrelektrode 4 aufgelötet oder auflegiert sein. Die Elektroden und der Trägerkörper können durch einen einzigen Wärmebehandlungsvorgang gleichzeitig mit der Halbleiterscheibe vereinigt werden. Mit besonderem Vorteil werden dazu vorher die Elektroden aus Folien der entsprechenden Metalle in der vorgesehenen Form ausgeschnitten und zusammen mit der Halbleiterscheibe und dem Trägerkörper in der richtigen Reihenfolge aufeinandergestapelt und in ein hitzebeständiges neutrales Pulver, z. B. Graphitpulver oder Magnesiumpulver, eingebettet, das um den Stapel herum festgepreßt wird, so daß es sich seiner äußeren Form genau anschmiegt. Dadurch kann die vorgeschriebene Anordnung, in der die verschiedenen Teile aufeinandergestapelt wurden, beim Legieren am besten gewahrt und eine gleichmäßige Eindringtiefe der Legierungsmetalle in die Halbleiterscheibe sichergestellt werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die äußere p-n-Grenze auf dem zylindrischen Teil der Scheibenoberfläche verhältnismäßig schwer zugänglich für eine weitere Behandlung, z. B. durch Ätzen. Zur Erleichterung der weiteren Behandlung kann gemäß Fig. 2 die sperrende Elektrode 4 um den Rand der Halbleiterscheibe herumgezogen werden, so daß der p-n-Übergang auf der freien Oberseite der Halbleiterscheibe 2 an die Halbleiteroberfläche tritt.A metal support body 5 is located on the underside of the disk Metal selected whose coefficient of thermal expansion comes as close as possible to that of the semiconductor material. For silicon, for example, tungsten and molybdenum have proven to be suitable carrier metals. Of the Carrier body 5 can also be designed so that it increases the cooling effect. He can also deal with special Cooling devices may be provided, which may optionally consist of other metal, e.g. B. with a cooling block of large heat capacity made of copper, or with cooling channels, which from a Liquid can be flowed through, or with cooling fins, etc. The carrier body can be placed on the blocking electrode 4 be soldered or alloyed. The electrodes and the carrier body can be through a single heat treatment process are united with the semiconductor wafer at the same time. It is particularly advantageous if the electrodes are made from foils in advance for this purpose appropriate metals cut out in the intended shape and together with the semiconductor wafer and the carrier body stacked in the correct order and in a heat-resistant one neutral powder, e.g. B. graphite powder or magnesium powder embedded, which is pressed tight around the stack so that it follows its outer shape fits exactly. This enables the prescribed arrangement in which the various parts are stacked on top of one another were best preserved during alloying and a uniform penetration depth of the alloying metals can be ensured in the semiconductor wafer. In the embodiment of FIG. 1, the outer p-n boundary on the cylindrical part of the disk surface is relatively difficult to access for another treatment, e.g. B. by etching. To facilitate further treatment, according to Fig. 2, the blocking electrode 4 are pulled around the edge of the semiconductor wafer, so that the p-n junction occurs on the free top of the semiconductor wafer 2 on the semiconductor surface.
In Fig. 3 ist eine entsprechende Ausführungsform eines Flächentransistors dargestellt. Dessen Basiselektrode besteht aus zwei Teilen, einem kreisförmigen Teil 3 a und einem ringförmigen Teil 3 b, welche durch eine gemeinsame Zuleitung 5 miteinander verbunden sind. Auf der entgegengesetzten Seite der Scheibe befindet sich die Kollektorelektrode 4, die im Betrieb in Sperrichtung beansprucht wird und über ein Trägerblech 5 mit der Zuleitung C verbunden ist.In Fig. 3, a corresponding embodiment of a flat transistor is shown. Its base electrode consists of two parts, a circular part 3 a and an annular part 3 b, which are connected to one another by a common lead 5. On the opposite side of the disk is the collector electrode 4, which is stressed in the reverse direction during operation and is connected to the supply line C via a carrier plate 5.
Zusätzlich ist eine ringförmige Emitterelektrode 6 mit einer Zuleitung £ auf der Oberseite der Halbleiterscheibe zwischen den Teilen der Basiselektrode vorgesehen. Die Breite des Schutzrandes ist bei diesem Transistor etwa durch den Abstand des nach oben gezogenen Randes der Kollektorelektrode 4 von dem ihm am nächsten kommenden Teil 3 b der Grundelektrode gegeben und beträgt ein Vielfaches der Scheibendicke.In addition, an annular emitter electrode 6 with a lead £ is provided on the top of the semiconductor wafer between the parts of the base electrode. In this transistor, the width of the protective edge is given approximately by the distance between the upwardly drawn edge of the collector electrode 4 and the part 3b of the base electrode which is closest to it and is a multiple of the thickness of the pane.
Vorteilhaft werden die Halbleiterscheiben sehr dünnThe semiconductor wafers are advantageously very thin
gemacht. Es wurden beispielsweise Siliziumscheiben mit einer Stärke von 0,07 mm und einem Durchmesser von etwa 15 mm hergestellt. Die Stärke der zum Einlegieren verwendeten Metallfolien betrug 0,03 mm. Bei solchen Proben, bei denen der Durchmesser der verwendeten Goldfolien größer war als der Durchmesser der Halbleiterscheibe, wurde beobachtet, daß sich gemäß Fig. 4 beim Legierungsvorgang das Gold von selbst am Rande der Scheibe hinaufzog und hier über die ganze Dicke der Scheibe 2 mit dem Halbleitermaterial legierte, so daß der Rand der Sperrelektrode nach dem Legieren gegen das Innere desmade. For example, silicon wafers with a thickness of 0.07 mm and a diameter were used of about 15 mm. The thickness of the metal foils used for alloying was 0.03 mm. For those samples in which the diameter of the gold foils used was larger than the diameter of the semiconductor wafer, it was observed that, as shown in FIG. 4, the gold pulled up by itself on the edge of the disk and here over the entire thickness of the disk 2 with the semiconductor material alloyed, so that the edge of the barrier electrode after alloying against the inside of the
Halbleitergrundkörpers konkav gekrümmt war. Diese Elektrodengestalt hat den besonderen Vorteil, daß ihr Rand durch das elektrische Feld nicht stärker, sondern schwächer beansprucht wird als die übrige Elektrodenfläche. Ferner zeigte die Oberseite der Scheibe nach dem Legieren einen goldenen Rand. Bei genügend Heiner Scheibendicke kann also von selbst eine Elektrodenanordnung entstehen, bei welcher sich die äußere p-n-Grenze auf der freien Oberseite der Halbleiterscheibe befindet. Um dieses Ergebnis mit Sicherlieit und gegebenenfalls auch bei Scheiben größerer Dicke sowie unter Umständen bei Verwendung anderer Vorrichtungen, als oben beschrieben, zu erzielen, kann man vor dem Legieren auch auf der freien Oberseite den Rand der Scheibe 2 mit einer schmalen ringförmigen Goldfolie 4 a bedecken, wie in Fig. 5 dargestellt. Dann werden durch den Legierungsprozeß die beiden Folien 4a und Ab zu einer gemeinsamen Elektrode 4 vereinigt, die sich, wie Fig. 6 zeigt, um den Rand der Halbleiterscheibe 2 herum erstreckt, so daß sich die äußere p-n-Grenze auf der Oberseite der Scheibe befindet und für die weitere Behandlung bequem zugänglich ist.Semiconductor base body was curved concavely. This electrode design has the particular advantage that its edge is not more stressed by the electric field, but rather less stressed than the rest of the electrode surface. In addition, the top of the disk showed a gold edge after alloying. If the Heiner wafer is sufficiently thick, an electrode arrangement can arise of its own accord in which the outer pn boundary is located on the free upper side of the semiconductor wafer. In order to achieve this result with certainty and possibly also with disks of greater thickness and under certain circumstances when using devices other than those described above, the edge of the disk 2 on the free upper side can be covered with a narrow ring-shaped gold foil 4 a before alloying as shown in FIG. The two foils 4a and Ab are then combined by the alloying process to form a common electrode 4 which, as FIG. 6 shows, extends around the edge of the semiconductor wafer 2 so that the outer pn boundary is on the top side of the wafer and is easily accessible for further treatment.
Claims (6)
USA.-Patentschrift Nr. 2 703 855.Considered publications:
U.S. Patent No. 2,703,855.
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