DE1127484B - Halbleiterkristalldiode mit flaechenhaftem PN-UEbergang ueber den ganzen Querschnitt des Halbleiterkoerpers und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

116961 Vmc/21g

ANMELDETAG: 11. SEPTEMBER 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 12. A P R I L 1962

Wenn man in Sperrichtung plötzlich eine Spannung an eine Halbleiterdiode legt, nachdem die Diode vorher einen größeren Strom in Durchlaßrichtung geleitet hat, so zeigt sich, daß anfangs ein relativ großer Sperrstrom fließt, der dann auf den normalen niedrigen Festwert abfällt. Diese Abfallzeit, die sogenannte Erholungszeit, schränkt die Geschwindigkeit ein, mit der die Diode geschaltet werden kann. Diese Diodenerholungszeit wird dadurch bewirkt, daß Minoritätsstromträger nach Wegnahme des großen Durchlaßstroms eine Zeitlang im größten Teil des Halbleitermaterials zurückbleiben. Die bekannten Schaltdioden haben Erholungszeiten in einer Größenordnung von Zehntelmikrosekunden bei Durchlaßströmen im Bereich von 10 Milliampere und in der Größenordnung von einigen zehn Mikrosekunden bei Durchlaßströmen im Amperebereich. Außerdem entsteht ein Stromüberschuß, wenn eine Halbleiterdiode, die in Sperrichtung vorgespannt ist, plötzlich in ihren leitenden Zustand umgeschaltet wird.

Die Erfindung betrifft eine Diode, die sich dank ihrer Parameter und Eigenschaften ideal für Schaltanwendungen eignet, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Diode.

Es sind bereits Halbleiterkristalldioden mitflächenhaftem PN-Übergang über den ganzen Querschnitt des Halbleiterkörpers, flächenhaften ohmschen Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers und ungleichmäßigem spezifischem Widerstand im Halbleiterkörper bekanntgeworden. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Verbesserung der bekannten Halbleiterkristalldiode hinsichtlich der Schaltzeit und der Schaltströme bei ihrer Verwendung als Schaltdiode. Erfindungsgemäß werden diese Halbleiterkristalldioden dadurch verbessert, daß der Halbleiterkörper etwa eine Dicke von 37,5 μ hat und der flächenhafte PN-Übergang etwa in der Mitte des Halbleiterkörpers liegt, daß die eine der beiden Halbleiterzonen über ihre Dicke einen im wesentlichen konstanten spezifischen Widerstand und daß die andere Halbleiterzone über ihre Dicke einen veränderlichen spezifischen Widerstand, der von der Oberfläche bis zürn PN-Übergang ansteigt, aufweist, daß auf der einen Zone die Elektrode so anlegiert ist, daß eine höher als die eine Zone dotierte Zone vorgelagert ist, und daß auf der anderen Zone die Elektrode angelötet ist.

Die Schaltdiode nach der Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Bekannten durch "eine besonders kleine Minoritätsträger-Speicherzeit bei großen Schaltströmen und einem niedrigen Durchlaßwiderstand aus. Der Bereich abgestuften Widerstandes erzeugt Halbleiterkristalldiode mit flächenhaftem

PN-Übergang über den ganzen

Querschnitt des Halbleiterkörpers

und Verfahren zu ihrer Herstellung

Anmelder:

International Business Machines Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. R. Schiering, Patentanwalt,
Böblingen (Württ), Sindelfinger Str. 66

'Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. Dezember 1958 (Nr. 779 959)

Richard Frederick Rutz, Fishkül, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

^a5 ein elektrisches Feld innerhalb dieses Diodenbereiches, und dieses elektrische Feld fügt der Diffusionskomponente der Bewegung der Minoritätsträger in dem Bereich eine Driftkomponente hinzu, so daß die Minoritätsträger den PN-Übergang schneller erreichen. Diejenigen Träger, die gespeichert werden, wenn die Speisespannung plötzlich umgekehrt wird, werden schneller aus dem Bereich hinausgefegt. Außerdem verwendet die Diode nach der Erfindung eine neuartige geometrische Anordnung, durch die der Abstand vom PN-Übergang zu den Halbleiterflächen, an die die äußeren Elektroden angeschlossen sind, auf ein Mindestmaß reduziert wird. Diese Oberflächen dienen als Bereiche, wo ideal unendliche Rekombinationsgeschwindigkeiten auftreten, und diese können daher als Auffänger für die Gleichgewichtskonzentration überschreitende Minoritätsträger angesehen werden. Die Diode nach der Erfindung hat verbesserte Erholungseigenschaften, ist frei von Überschußströmen und hat einen niedrigen Durchlaßwiderstand, einen hohen Sperrwiderstand und eine geringstmögliche Kapazität.

Für ein Verfahren zur Herstellung dieser Halbleiterkristalldiode besteht die weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens darin, daß die Elektrode auf der anderen Zone aus Germanium oder Silizium mittels eines elektrisch inerten Lötmittels, insbesondere Blei, angelötet wird.

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Andere Weiterbildungen des Erfindungsgedankens ergeben sich, aus der nachstehenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen für eine beispielsweise Ausführangsform näher erläutert:

Fig. 1 ist ein Aufriß einer Schaltdiode nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Kristallplättchen nach dem Hineindiffundieren von Verunreinigungen;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Diodenkörper nach Entfernung des nicht benötigten Halbleitermaterials;

Fig. 4 stellt einen Querschnitt durch den Diodenkörper nach Anbringung der ohmsehen Kontakte dar;

Fig. 5 zeigt den Diodenkörper im Herstellungszustand nach dem Ätzen;

Fig. 6 ist eine Kurve, die die Örtliche Veränderung im spezifischen Widerstand in der Diode zwischen den beiden äußeren Oberflächen darstellt;

Fig. 7 ist ein Schema der zur Prüfung der Diode verwendeten Schaltung.

Die Leitfähigkeit in Halbleitern teilt man in zwei Klassen ein. Sind die Elektronen die vorherrschenden Stromträger, dann handelt es sich um den N-Typ, und wenn die Löcher die dominierenden Ladungsträger sind, handelt es sich um den P-Typ. Jede Leitfähigkeitsklasse wird einzig und allein durch die in dem Halbleiterkristall anwesenden Verunreinigungen bzw. Störstoffe bestimmt. Kleine Mengen von Verunreinigungen, wie z. B. von Arsen, Antimon und Phosphor, die der Elementgruppe V des Periodischen Systems angehören, werden als Donatoren bezeichnet, wenn sie Halbleiterelementen der Gruppe IV, z. B. Germanium oder Silizium, zugesetzt werden, da sie dem Kristall einen Überschuß an freien Elektronen geben. Diese überschüssigen freien Elektronen können Ladungsträger werden, und das Halbleitermaterial wird deshalb in den N-Leitfähigkeitstyp umgewandelt. Ähnlich werden solche Verunreinigungen der Gruppe III— wie Gallium und Indium — als Akzeptoren bezeichnet, da sie einen Überschuß freier Löcher in den Kristall einführen, wodurch das Halbleitermaterial in den Leitfähigkeitstyp P umgewandelt wird. Sind beide Verunreinigungsarten vorhanden, so ist die Leitfähigkeit durch die vorherrschende Verunreinigung bestimmt.

Wenn der Halbleiterkristall zwei Zonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp enthält, die an einer gemeinsamen Fläche oder Sperrschicht aneinander angrenzen, eignet sich der Kristall zur Verwendung als elektrischer Gleichrichter, da er einem Stromfluß einen relativ niedrigen Widerstand entgegensetzt, wenn eine Spannung der einen Polarität an die Sperrschicht gelegt wird, und einen relativ hohen Widerstand, wenn die Polarität der Spannung umgekehrt wird. Derart eingerichtete elektrische Gleichrichter nennt man Flächengleichrichter zum Unterschied gegen die bekannte Spitzendiode. Die Erfindung bezieht sich auf den Flächengleichrichter.

In einer Flächen-Schaltdiode wird die Erholungszeit, während der sich der Sperrwiderstand der Diode von einem niedrigen Wert auf den normalen hohen Festwert ändert und die auftritt, wenn eine normalerweise leitende Diode plötzlich in Sperrichtung vorgespannt wird, durch die Speicherung von Minoritätsträgern bewirkt. Während der Leitung in Durchlaßrichtung werden Träger, die auf einer Seite des PN-Übergangs Majoritätsträger sind, in die andere Seite injiziert und werden dort zu Minoritätsträgem, die die normalerweise vorhandene Menge übersteigen, und die Leitfälligkeit wird so verändert, daß eine sehr niedrige Impedanz entsteht. Bei Vorspannung in Sperrichtung hält die sehr niedrige Impedanz an, bis die Überschußträger zu den Elektroden abwandern oder den PN-Übergang erneut überschreiten oder sich im Halbleitermaterial mit Majoritätsträgern rekombinieren.

Fig. 1 zeigt nun eine die Erfindung veranschaulichende neuartige Halbleiterdiode 1, die z. B. eine P-Zone 5 und eine N-Zone 6 hat, die sich im gemeinsamen PN-Sperrbereich oder -Übergang 7 treffen. Anschlußleitungen 2 und 3 sind an die N- und P-Leitfähigkeitsbereiche durch die ohmschen Kontakt-Elektroden 8 und 4 angeschlossen, und zwar ist der ohmsche Kontakt 8 an den N-Bereich 6 angelötet und der ohmsche Kontakt 4 an den P-Bereich 5 anlegiert. Außerdem dienen die ohmschen Kontakte 8 und 4 als Wärmeableiter für die Halbleiterdiode. Der N-Bereich 6 enthält einen Widerstandsgradienten zwischen einem niedrigen Wert am ohmschen Kontakt 8 und einem höheren Wert am PN-Übergang 7, was noch genauer beschrieben wird. Der P-Bereich 5 hat einen relativ konstanten Widerstandswert, der nahe der Oberfläche des ohmschen Kontakts 4 auf einen relativ niedrigen Wert reduziert ist.

Die Halbleiterdiode nach Fig. 1 läßt sich vorteilhafterweise in der folgenden neuartigen Weise herstellen: Zunächst wird ein Kristall eines ersten Leitfähigkeitstyps dampfdiffundiert; dann wird das Kristallplättchen geformt, mit ohmschen Kontakten versehen und geätzt, so daß man eine Diode mit einem gegenüber dem PN-Übergangsbereich größtmöglichen Elektrodenflächenbereich erhält. Es entsteht dabei eine Diode, deren Parameter nahezu ideal für Schaltanwendungen sind. Ein dünnes, flaches Plättchen aus einem Halbleitermaterial vom ersten Leitfähigkeitstyp, dessen spezifischer Widerstand so hoch ist, daß ein Bereich abgestuften spezifischen Widerstandes durch Dampfdiffusion gebildet werden kann, wird nach einem von mehreren an sich bekannten Verfahren hergestellt. Dann wird ein Teil dieses Plättchens durch Dampfdiffusion in einen Leitfähigkeitstyp umgewandelt, der dem des ursprünglichen Plättchens entgegengesetzt ist. Die Technik der Dampfdiffusion ist an sich bekannt, und zwar besteht sie darin, daß das Halbleiterplättchen in einer kontrollierten Atmosphäre bei hoher Temperatur in Anwesenheit eines Dampfes erhitzt wird, der eine den Leitfähigkeitstyp bestimmende Verunreinigung eines Typs enthält, welcher dem Leitfähigkeitstyp des Halbleiterplättchens entgegengesetzt ist, so daß die durch die Hitze den Verunreinigungsatomen erteilte Energie diese Atome veranlaßt, in den Kristall einzudringen. Dadurch entsteht ein Bereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in dem Plättchen, und dieser Bereich erhält einen spezifischen Widerstand, der niedrig an der Oberfläche und fast gleich dem ursprünglichen Widerstand des Halbleiters am PN-Übergang 7 ist. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein in der beschriebenen Weise hergestelltes Plättchen, bei dem der Bereich 5, der den ursprünglichen Leitfähigkeitstyp hat, von einem Bereich 6 mit dem umgewandelten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp umgeben ist.

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Im nächsten Verfahrensschritt wird von dem Platt- niedrigen Wert in der Zone sinkt, die durch die Le-

chen dasjenige Material entfernt, das für die Bildung gierungsoperation erzeugt worden ist und am Kon-

des Diodenkörpers unnötig ist. Gemäß Fig. 2 wird takt 4 endet.

das Plättchen entlang der Linien 20-20, 21-21 und Zum besseren Verständnis der Erfindung seien 22-22 zerschnitten und die in Fig. 3 gezeigte Platt- 5 nachstehend als Beispiele einige Werte und Matechenform gebracht. Fig. 3 zeigt einen Bereich S vom rialien angegeben, von denen aber Abweichungen Leitfähigkeitstyp P, einen Bereich 6 vom Leitfähig- möglich sind.

keitstyp N, der einen abgestuften spezifischen Wider- Ein Germaniumplättchen vom Leitfähigkeitstyp P

stand hat, welcher an der Oberfläche niedrig und am mit einem spezifischen Widerstand von 7 Ohm cm

PN-Übergang 7 höher ist. Das Material kann von io wurde bei einer Temperatur von 800° C 24 Stunden

dem in Fig. 2 gezeigten Plättchen zur Bildung des in lang in einer Arsenatmosphäre gehalten. Das resul-

Fig. 3 gezeigten Plättchens in beliebiger Weise ent- tierende Plättchen, das einen umgewandelten Bereich

fernt werden, z. B. durch Sägen, Ätzen oder Ab- vom Leitfähigkeitstyp N enthielt, wurde dann zer-

tragen. schnitten zu Plättchen, deren N- und P-Bereiche sich

Im nächsten Verfahrensschritt werden ohmsche 15 an einem PN-Übergang trafen. Der PN-Übergang lag Kontakte mit niedrigem Widerstand an den Ober- etwa in der Mitte der Plättchen, und wenn ein Fehler flächen des Bereichs mit dem ursprünglichen Leit- auftrat, bestand er darin, daß der PN-Übergang etwas fähigkeitstyp sowie des Bereichs mit dem entgegen- näher an der N-Fläche lag. Als nächstes wurde das gesetzten Leitfähigkeitstyp angebracht. Da der Be- Plättchen zu einem Würfel abgeschliffen, der etwa reich mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp als 20 0,05 cm dick und parallel zum PN-Übergang etwa Folge des Dampfdiffusionsprozesses einen niedrigen 0,51 cm lang war. Mit Hilfe von Bleilötmittel wurde Wert des spezifischen Widerstandes an seiner Ober- dann eine Kupferelektrode an der Oberfläche des fläche hat, "genügt eine Lötoperation zur Erlangung N-Bereichs befestigt. Ein Indium enthaltendes Vereines Kontaktes mit niedrigem Widerstand. Unter unreinigungskügelchen wurde dann an die Oberfläche Verwendung eines elektrisch unwirksamen Lötmittels, 25 des P-Bereichs anlegiert, und die Legierungsoperation wie z. B. Blei, wird der ohmsche Kontakt 8 direkt an wurde so gesteuert, daß das Indium etwa einige der Oberfläche des Bereichs 6 befestigt. Da jedoch Zehntel eines Hundertstelmilnmeters tief eindrang, der Bereich 5 mit dem ursprünglichen Leitfähigkeits- Nach der Legierungsoperation wurde der Würfel typ einen relativ hohen Widerstandswert hat, wird elektrisch in einer 5%igen Kalium-Hydroxydlösung eine Legierungsoperation ausgeführt, um den Ober- 30 geätzt, um alles Germanium, das sich nicht direkt flächenwiderstand des Bereichs zu reduzieren. Ein unter dem anlegierten Indiumkügelchen befand, zu Kügelchen, das den Leitfähigkeitstyp bestimmende entfernen. Der resultierende Germaniumwürfel hatte Verunreinigungen vom gleichen Typ wie das ur- einen Durchmesser von 0,23 mm und eine Höhe von sprüngliche Halbleitermaterial enthält, wird eine 0,04 mm.

Zeitlang an den Bereich 5 bei einer Temperatur an- 35 Die so hergestellte Diode hatte folgende Merkmale:

legiert, bei der die Eindringungstiefe des Kügelchens Flußspannungsabfall ... 0,38 V bei 0,1 A

geringer ist als die Tiefe des ursprunglichen Be- 0 54 V bei 1 0 A

reichs 5. Wenn z. B. ursprünglich der Leitfähigkeits- Sperrdurchschlags-

typ P bestanden hat, müssen Akzeptorverunreinigun- spannung 125 V

gen verwendet werden, und umgekehrt müssen, wenn 40 Sperrstrom 5 μΑ bei 20 V

ursprünglich der Leitfähigkeitstyp N bestanden hat, Kapazität 2 pF

Donator-Verunreinigungen bei der Legierungsopera-

tion verwendet werden. Wie Fig. 4 zeigt, entsteht Zur Feststellung der Erholungszeit der Diode nach

durch die Legierungsoperation ein dünner Bereich 9 dem Hindurchleiten eines Flußstroms von 1 A wurde

in dem Material mit dem ursprünglichen Leitfähig- 45 die in Fig. 7 gezeigte Schaltung verwendet, deren

keitstyp, welcher einen relativ niedrigen spezifischen Schaltungselemente folgende Werte hatten:

Widerstand hat und so eine Oberfläche niedrigen _w-, , _, _ΑΛ ,, _nll

Widerstandes für den ohmschen Kontakt büdet. ™™ 7* ^ Jr™

τλ ·· ι. L Tr-c-u τ. -^j. ■ j. · χ·,. Widerstand 42 10 Ohm

Der nächste Verfahrensschntt ist eine Atz- widerstand 45 2 Ohm

operation, durch die die in Fig. 4 gezeigte Anordnung 50 _Kondensator 43 0,01 _μΡ

m die m Fig. 5 gezeigte umgewandelt wird. Der Batterie 44 6 V

Körper der Diode wird elektrisch geätzt in einer

Lösung von Kaliumhydroxyd, Natriumhydroxyd Als Erholungszeit der Diode beim Umschalten von

od. dgl., um alles Halbleitermaterial mit Ausnahme einem Durchlaßstrom von 1 A auf eine Sperrvor-

desjenigen zu entfernen, das sich direkt zwischen 55 spannung von 6 V wurden 50 Millimikrosekunden

dem legierten Bereich und dem ohmschen Kontakt 8 gemessen. Es wurden nach dem hier beschriebenen

befindet. Schließlich werden Anschlußleitungen 2 Verfahren verschiedene andere Dioden nach der Er-

und 3 an die ohmschen Kontakte 8 bzw. 4 ange- findung hergestellt, deren Erholungszeiten zwischen

schlossen. 40 und 70 Millimikrosekunden lagen.

Der nach dem beschriebenen Verfahren herge- 60 Die schnell schaltende, Hochstrom leitende Diode stellte Halbleitergleichrichter hat gemäß Fig. 6 einen nach der Erfindung hat folgende technische Vorteile: im Körper der Vorrichtung verschiedenen spezifi- Minimale Erholungszeit, die eine höhere Schaltgeschen Widerstand, und zwar hat sie am Kontakte schwindigkeit ermöglicht; Freiheit von Stromübereinen relativ niedrigen Widerstand, der auf einen re- Schüssen; sehr niedriger Durchlaßwiderstand, durch lativ hohen Wert am PN-Übergang 7 ansteigt, dann 65 den die Energiemenge, die im Diodenkörper umgeauf einen relativ konstanten Wert durch das Material setzt wird, verringert wird und so stabilere Operamit dem ursprünglichen Leitfähigkeitstyp hindurch tionsmerkmale erreicht werden; minimaler Sperrabfällt und von dort aus weiter auf einen relativ strom, der größere Stromkreistrennung ermöglicht;

größere Durchlaßströme; hohe Durchschlagspannung in Sperrichtung.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleiterkristalldiode mit flächenhaftem PN-Übergang über den ganzen Querschnitt des Halbleiterkörpers, flächenhaften ohmschen Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers und ungleichmäßigem spezifischem Widerstand im Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper etwa eine Dicke (5 und 6) von 37,5 μ hat und der flächenhafte PN-Übergang (7) etwa in der Mitte des Halbleiterkörpers liegt, daß die eine (5) der beiden Halbleiterzonen (5 und 6) über ihre Dicke einen im wesentlichen konstanten spezifischen Widerstand und daß die andere Halbleiterzone (6) über ihre Dicke einen veränderlichen spezifischen Widerstand, der von der Oberfläche bis zum PN-Übergang (7) ansteigt, aufweist, daß auf der

einen Zone (5) die Elektrode so anlegiert ist, daß eine höher als die eine Zone dotierte Zone vorgelagert ist, und daß auf der anderen Zone (6) die Elektrode angelötet ist.

2. Verfahren zur Herstellung der Halbleiterkristalldiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode auf der anderen Zone (6) aus Germanium oder Silizium mittels eines elektrisch unwirksamen Lötmittels, insbesondere Blei, angelötet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 941743,

deutsche Patentanmeldung ρ 2846 B VIIIc/21g (bekanntgemacht am 12.10.1950);

Deutsche Auslegeschrift S 32747 VHIc/21 g (bekanntgemacht am 6. 10. 1955);

österreichische Patentschrift Nr. 201114;

Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 2 a, 1947, S. 226 bis 233.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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