DE1053672B - Gas-tight encapsulated electrical semiconductor arrangement - Google Patents

Gas-tight encapsulated electrical semiconductor arrangement

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DE1053672B
DE1053672B DES52127A DES0052127A DE1053672B DE 1053672 B DE1053672 B DE 1053672B DE S52127 A DES52127 A DE S52127A DE S0052127 A DES0052127 A DE S0052127A DE 1053672 B DE1053672 B DE 1053672B
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Germany
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electrical semiconductor
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DES52127A
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German (de)
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Dr Rer Nat Adolf Herlet
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/20Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device gaseous at the normal operating temperature of the device
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • HELECTRICITY
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    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor

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Description

Gasdicht gekapselte elektrische Halbleiteranordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine gasdicht gekapselte elektrische Halbleiteranordnung mit einkristallinem Sperrschichthalbleiterelement und an Stelle von Luft mit betriebsmäßiger Stickstoffüllung des Gehäuses. Bekanntlich pflegt man. Halbleitergeräte, die als Gleichrichter, Transistoren od. dgl. verwendet werden, luftdicht einzukapseln, damit ihre elektrischen Eigenschaften nicht durch atmosphärische Einflüsse verschlechtert werden. Der Einfluß der gewöhnlichen atmosphärischen Luft kann nämlich a) zu einer Verminderung der Sperrfähigkeit führen, b) zu einer Steigerung der Oberflächenrekombination, die vor allem beim Transistor wegen der daraus resultierenden Abnahme des Stromverstärkungsfaktors unerwünscht ist.Gas-tightly encapsulated electrical semiconductor device The invention relates to a gas-tight encapsulated electrical semiconductor device with monocrystalline Barrier layer semiconductor element and instead of air with operational nitrogen filling of the housing. It is well known that one grooms. Semiconductor devices acting as rectifiers, transistors Od. Like. Are used to encapsulate airtight, so that their electrical properties not deteriorated by atmospheric influences. The influence of the ordinary Atmospheric air can namely a) lead to a reduction in the blocking capacity, b) to an increase in surface recombination, especially in the case of transistors undesirable because of the resulting decrease in the current gain factor is.

Es ist auch bekannt, bei der Herstellung gasdicht gekapselter Halbleiteranordnungen das Verschließen des Gehäuses in einer geschlossenen Kammer, in welcher eine Stickstoffatmosphäre herrscht, vorzunehmen, so daß das Gehäuse betriebsmäßig mit Stickstoff gefüllt ist. Die Halbleiterelemente dieser bekannten Anordnungen vertragen nur eine verhältnismäßig niedrige Sperrspannung. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich Stickstoff als Gehäusefüllung für Silizium-Sperrschichtelemente, welche eine außergewöhnlich hohe Sperrspannung aufweisen, als Füllgas besonders gut eignet im Vergleich zu anderen ebenfalls neutralen Füllgasen, wie z. B. Argon.It is also known in the production of gas-tight encapsulated semiconductor arrangements the sealing of the housing in a closed chamber in which a nitrogen atmosphere prevails to make so that the housing is operationally filled with nitrogen. The semiconductor elements of these known arrangements can only tolerate one relatively low reverse voltage. The invention is based on the knowledge that nitrogen as a case filling for silicon barrier layer elements, which is an extraordinary have high reverse voltage, particularly suitable as a filling gas compared to others also neutral filling gases, such as. B. argon.

Die Erfindung bezieht sich also auf eine gasdicht gekapselte elektrische Halbleiteranordnung mit einkristallinem Sperrschichthalbleiterelement und an Stelle von Luft mit betriebsmäßiger Stickstoffüllung des Gehäuses. Erfindungsgemäß ist das Halbleiterelement eine Siliziumscheibe mit p-s-n-Schichtenfolge, welche Sperrspannungen von mindestens etwa 500 bis 600 V standhält. Derartige Gleichrichterelemente können aus hochwertigem Silizium hergestellt werden. Versuche, bei denen derartige Siliziumgleichrichter in einem mit Argon gefüllten Gehäuse gekapselt wurden, haben gezeigt, daß es bei Spannungen von etwa 500 bis 600 V zu Überschlägen zwischen den Elektroden der Siliziumscheibe kam. Dieser Mangel wurde durch Verwendung von Stickstoff an Stelle von Argon bzw. von Luft als Füllgas behoben. Es hat sich ferner herausgestellt, daß bei Verwendung hochsperrender Siliziumhalbleiterelemente mit p-s-n-Schichtenfolge in einer Stickstoffüllung auch die oben unter a) und b) angegebenen Nachteile, nämlich Verminderung der Sperrfähigkeit bzw. Steigerung der Oberflächenrekombination wegfallen. Versuche an Gleichrichtern mit einem p-leitenden Siliziumgrundkörper mit einlegiertem n-Bereich ergaben, daß die Sperrfähigkeit erhalten bleibt und die Oberflächenrekombination im Laufe der Zeit sogar abnimmt. Dieses Ergebnis überraschte um so mehr, als die Kapselung in trockener Luft, deren überwiegender Bestandteil ja Stickstoff ist, sich als ungenügend bezüglich der Beseitigung der Nachteile a) und b) erwiesen hat und es keineswegs feststeht, daß daran etwa der Sauerstoffanteil der Luft schuld wäre.The invention thus relates to a gas-tight encapsulated electrical Semiconductor device with single crystal junction semiconductor element and in place of air with normal nitrogen filling of the housing. Is according to the invention the semiconductor element a silicon wafer with p-s-n layer sequence, which blocking voltages withstands from at least about 500 to 600 V. Such rectifier elements can are made from high quality silicon. Attempts in which such silicon rectifiers encapsulated in a case filled with argon have shown that it is at Voltages of around 500 to 600 V cause flashovers between the electrodes of the silicon wafer came. This deficiency was remedied by using nitrogen instead of argon. fixed by air as filling gas. It has also been found that when used high blocking silicon semiconductor elements with p-s-n layer sequence in a nitrogen filling also the disadvantages indicated above under a) and b), namely reduction in the blocking ability or increase in surface recombination are eliminated. Tests on rectifiers with a p-conducting silicon base body with an alloyed n-area showed that the blocking ability is preserved and the surface recombination in the course of the Time even decreases. This result was all the more surprising as the encapsulation in dry air, the predominant component of which is nitrogen, turns out to be insufficient has proven to eliminate the disadvantages a) and b) and it by no means it is certain that the oxygen content of the air would be to blame for this.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung im Schnitt dargestellt. Das eigentliche Gleichrichterelement besteht aus einem scheibenförmigen Einkristall 10 aus beispielsweise schwach p-leitendem Silizium. Auf seiner Oberseite befindet sich eine Goldelektrode 11 mit etwa 1% Antimongehalt, welche in die Siliziumscheibe einlegiert ist und dort einen hoch n-dotierten Bereich geschaffen hat. Zwischen diesem Bereich und dem p-leitend verbliebenen Teil des Grundkörpers befindet sich der p-n-Übergang, dem die Gleichrichterwirkung zuzuschreiben ist. Die Unterseite der Siliziumscheibe 10 ist mit einer Aluminiumelektrode 12 sperrfrei kontaktiert. Vor dieser befindet sich infolgedessen im Inneren der Siliziumscheibe ein hoch p-dotierter Bereich. Ein Halbleiterelement der beschriebenen Art bezeichnet man als einen p-s-n-Gleichrichter. Die Aluminiumelektrode 12 kann vorteilhaft aus zwei übereinanderliegenden Schichten zusammengesetzt sein, von denen nur die obere aus Aluminium besteht und mit dem Silizium eine Legierung bildet, während dagegen der untere "Teil der Elektrode 12 von einer Trägerplatte beispielsweise aus Molybdän oder Wolfram gebildet wird. Die untere Seite dieser Trägerplatte kann vernickelt oder mit einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung plattiert und auf eine Bodenplatte 13 aufgelötet sein, welche vorteilhaft aus Kupfer besteht und einen Anschlußbolzen 14 mit Gewinde aufweist. An die Goldelektrode 11 ist mit zinnfreiem Lot ein Anschlußleiter 15, beispielsweise aus Kupfer, angelötet, der durch eine Bohrung der Gehäusekapsel 16 hindurchgeführt ist. Die letztere kann aus Metall, z. B. Eisen oder Messing, bestehen. Dann ist der Anschlußleiter 15 mittels einer gasdichten Durchführung 17, z. B. einer Glaseinschmelzung, zu isolieren. Die Gehäusekapsel 16 wird mit ihrem unteren Rand in einer kreisrunden Rille 18 festgelötet. Durch diese Rille und eine dazu konzentrische Vertiefung der Bodenplatte 13, in welche die Elektrode 12 des Halbleiterelements eingelassen ist, wird die Zentrierung der verschiedenen Teile beim Zusammensetzen erleichert. Die Gehäusekapsel 16 ist mit einem Füllstutzen 19 versehen, durch welchen nach der Zusammensetzung und Verbindung der Einzelteile miteinander die Luft herausgepumpt und eine Stickstoffüllung 20 hineingelassen werden kann, worauf auch der Füllstutzen 19 durch Abklemmen und Verlötung gasdicht verschlossen wird. Der Druck der Stickstoffüllung beträgt vorteilhaft 1 at abs, ist also etwa gleich dem Druck der äußeren Umgebung oder etwas höher, damit bei einer geringfügigen Undichtheit nicht sofort Luft eindringen kann.In the drawing, an embodiment according to the invention is in Section shown. The actual rectifier element consists of a disk-shaped one Single crystal 10 made of, for example, weakly p-conductive silicon. On its top there is a gold electrode 11 with about 1% antimony content, which is inserted into the silicon wafer is alloyed and has created a highly n-doped area there. Between this area and the remaining p-conductive part of the base body is located the p-n junction to which the rectifying effect can be ascribed. The bottom the silicon wafer 10 is in lock-free contact with an aluminum electrode 12. As a result, there is a highly p-doped one in front of this inside the silicon wafer Area. A semiconductor element of the type described is referred to as a p-s-n rectifier. The aluminum electrode 12 can advantageously consist of two superposed layers be composed, of which only the upper one is made of aluminum and with the Silicon forms an alloy, while the lower "part of the electrode 12 is formed by a carrier plate made of molybdenum or tungsten, for example. the lower side of this carrier plate can be nickel-plated or with an iron-nickel-cobalt alloy be plated and soldered to a base plate 13, which is advantageously made of copper consists and a connecting bolt 14 having a thread. To the Gold electrode 11 is a connection conductor 15, for example made of tin-free solder Copper, soldered on, which is passed through a bore in the housing capsule 16. The latter can be made of metal, e.g. B. iron or brass exist. Then the connection wire is 15 by means of a gas-tight bushing 17, for. B. a glass seal to isolate. The housing capsule 16 is soldered with its lower edge in a circular groove 18. Through this groove and a concentric recess in the base plate 13, in which the electrode 12 of the semiconductor element is embedded, becomes the centering of the various parts made easier when assembling. The housing capsule 16 is provided with a filler neck 19 through which after assembly and connection of the individual parts with one another, the air is pumped out and a nitrogen filling 20 can be let in, whereupon the filler neck 19 by disconnecting and soldering is sealed gas-tight. The pressure of the nitrogen filling is advantageously 1 at abs, is about the same as the pressure of the external environment or a little higher, so air cannot enter immediately in the event of a minor leak.

Statt des beschriebenen Halbleiterelementes kann natürlich auch ein solches mit einem schwach n-leitenden Siliziumgrundkörper vorgesehen sein, dessen Oberseite beispielsweise mit einer borhaltigen Goldelektrode unter Bildung eines p-leitenden Bereiches und eines p-n-Überganges legiert sein kann. Die untere sperrfreie Elektrode kann in diesem Falle beispielsweise aus antimonhaltigem Gold mit einer Molybdän- oder Wolframunterlage bestehen.Instead of the semiconductor element described, a be provided with a weakly n-conductive silicon base body, its Top side, for example, with a boron-containing gold electrode to form a p-type region and a p-n junction can be alloyed. The lower lock-free Electrode can in this case, for example, made of antimony-containing gold with a Molybdenum or tungsten base exist.

Das Sperrschichthalbleiterelement in der mit Stickstoff gefüllten Gehäusekapsel kann außer der erwähnten p-s-n-Schichtenfolge noch weitere, an diese gegegebenenfalls mit einem p-n-Übergang angrenzende Schichten in der Siliziumscheibe aufweisen. Es kann z. B. eine zusätzliche n-Schicht auf der p-Seite oder eine zusätzliche p-Schicht auf der n-Seite der Siliziumscheibe haben und dadurch in an sich bekannter Weise zu einem Transistorelement ausgestaltet sein.The junction semiconductor element in the nitrogen-filled one In addition to the above-mentioned p-s-n layer sequence, the housing capsule can also have additional layers attached to it possibly adjoining layers in the silicon wafer with a p-n junction exhibit. It can e.g. B. an additional n-layer on the p-side or an additional one have p-layer on the n-side of the silicon wafer and are therefore known per se Way to be designed as a transistor element.

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Gasdicht gekapselte elektrische Halbleiteranordnung mit einkristallinem Sperrschichthalbleiterelement und an Stelle von Luft mit betriebsmäßiger Stickstoffüllung des Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement eine Siliziumscheibe mit p-s-n-Schichtenfolge ist, welche Sperrspannungen von mindestens etwa 500 bis 600 V s.tanidhält. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift S 36 923 VIII c/ 21 g (bekanntgemacht am 16. B. 1956) ; französische Patentschrift Nr. 1130 175.PATENT CLAIM: Gas-tight encapsulated electrical semiconductor arrangement with a single-crystal barrier layer semiconductor element and instead of air with operational nitrogen filling of the housing, characterized in that the semiconductor element is a silicon wafer with a psn layer sequence, which holds blocking voltages of at least about 500 to 600 V s.tanid. Considered publications: German Auslegeschrift S 36 923 VIII c / 21 g (published on 16 B. 1956); French patent specification No. 1130 175.
DES52127A 1957-01-30 1957-01-30 Gas-tight encapsulated electrical semiconductor arrangement Pending DE1053672B (en)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1130175A (en) * 1954-08-23 1957-01-31 Gen Electric Co Ltd Semiconductor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1130175A (en) * 1954-08-23 1957-01-31 Gen Electric Co Ltd Semiconductor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DE S36923 (Bekanntgemacht am 16.08.1956) *

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