DE1208011B - Halbleiterbauelement mit mindestens einer p pn- oder n np -Zonenfolge im Silizium-Halbleiterkoerper, insbesondere Halbleiterflaechengleichrichter oder Halbleiterstromtor - Google Patents

Halbleiterbauelement mit mindestens einer p pn- oder n np -Zonenfolge im Silizium-Halbleiterkoerper, insbesondere Halbleiterflaechengleichrichter oder Halbleiterstromtor

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
HOIl
Deutsche KL: 21g-11/02
Nummer: 1208 011
Aktenzeichen: S 79057 VIII c/21 g
Anmeldetag: 18. April 1962
Auslegetag: 30. Dezember 1965
Die' Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Aufbau für Halbleiterbauelemente mit mindestens einer p+pn+- oder n+np+-Zonenfolge im Silizium-Halbleiterkörper, insbesondere Halbleiterflächengleichrichter oder Halbleiterstromtore, für hohe auftretende Störspannungen.
Solche Verhältnisse können insbesondere dann bei einem Halbleiterbauelement auftreten, wenn dieses in Stromkreisen zur Verwendung gelangen soll, in denen zufolge der in diesen oder/und in dem diese speisenden Netz vorhandenen elektrischen Größen bzw. Schaltungselemente, insbesondere Induktivitäten, und der Betriebsart in diesen Stromkreisen bzw. diesem Netz mit dem Auftreten von Überspannungen als Störspannungen, z. B. in Form von Schaltüberspannungen, zu rechnen ist, die dann in einer entsprechenden nachteiligen Weise das Silizium-Halbleiterbauelement, insbesondere auch unter Berücksichtigung des an diesem auftretenden Trägerstaueffekts, elektrisch beanspruchen und an diesen zu Schäden bzw. Durchschlägen und damit zu einem Unbrauchbarwerden des Silizium-Halbleiterelements führen können.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Silizium-Halbleiterelement mit einem solchen Aufbau zu schaffen, daß es gegen solche Beanspruchungen, insbesondere Schaltüberspannungen, praktisch so weitgehend unempfindlich ist, daß Hilfsschaltungselemente, die sonst zur Erreichung des gleichen Zieles erforderlich sein würden, überhaupt entbehrlich werden oder mindestens nur mit einem geringeren Aufwand erforderlich werden.
Diese Aufgabe läßt sich erfindungsgemäß dadurch lösen, daß der Silizium-Halbleiterkörper in einem an die Oberfläche grenzenden Teil einer äußeren Zone eine Störstellenkonzentration von 1018 bis 1020 Störstellen je cm3 besitzt, daß der Gradient des in Richtung zur Mittelzone abnehmenden Störstellenverlaufs in dieser Zone an der Mittelzone kleiner als 1017 Fremdatome je cm4 ist und daß in der schwach mit höchstens etwa 1015 Störstellen je cm3 dotierten Mittelzone, welche im Halbleiterkörper zwischen zwei stärker und entgegengesetzt zueinander dotierten Zonen liegt, das Verhältnis der Dicke zur Konzentration der Rekombinationszentren so abgestimmt ist, daß bei einer Stromdichte von 1 Ampere je mm2 in der Flußrichtung des pn-Übergangs zwischen den Oberflächen der äußeren Zonen des Halbleiterkörpers ein Spannungsabfall zwischen 1,0 und 1,15 Volt auftritt.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
Halbleiterbauelement mit mindestens
einer p+ pn+- oder n+ np+-Zonenfolge im
Silizium-Halbleiterkörper, insbesondere
Halbleiterflächengleichrichter oder
Halbleiterstromtor
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Udo Lob, München
In F i g. 1 sei in einem zur Veranschaulichung gewählten Maßstab auf der Abszissenachse die Entfernung e aufgetragen, die zwischen beiden Oberflächen des Halbleiterkörpers besteht, die ihrer Lage nach durch die beiden vertikalen Linien A und B angedeutet sind. In der vertikalen Richtung ist die Störstellenkonzentration bzw. Zahl der Störstellen ./V" je cm3 aufgetragen. Es ist bei dieser Darstellung angenommen, daß von einem Halbleiterkörper ausgegangen wird, der zunächst eine gleichmäßige schwache p-Dotierung, die durch sv angedeutet ist, besitzt, deren Konzentrationswert durch die parallel zur Abszissenachse eingetragene Linie α gekennzeichnet ist. In diesen Halbleiterkörper ist nun von beiden Oberflächen aus je ein Störstellenmaterial eindotiert worden, und zwar von links z. B. Bor, wodurch sich von der Oberfläche A aus eine Störstellenverteilung für eine starke elektrische p-Leitung gemäß der Kurve Z> im Halbleiterkörper ergibt. Von der rechten Oberfläche B aus ist ein Störstellenmaterial für Überschußleitung, nämlich z. B. Phosphor, eindotiert worden, so daß sich also eine starke η-Dotierung gemäß der eingetragenen Kurve c hinsichtlich ihrer Konzentration von der Oberfläche B aus im Halbleiterkörper ergibt. An der Stelle, wo sich die Kurve c und die Parallele α zur Abszissenachse schneiden, entsteht also im Halbleitermaterial der pn-Übergang, welcher in seiner Lage, bezogen auf die Oberflächen A und B, durch den Wert C an der Abszissenachse gegeben ist. An derjenigen Stelle, welche ihrer Lage nach, bezogen auf die beiden Oberflächen A und B, durch den Wert D an der
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Claims (1)

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Abszissenachse gegeben ist, ergibt sich sinngemäß z.B. etwa 1000° C, während etwa 2 Stunden Bor ein ohmscher Übergang zwischen zwei Bereichen eindiffundiert, wodurch eine p+-Oberflächenschicht gleichen elektrischen, nämlich p-Leitungstyps, jedoch gebildet wird. In diesem n+- bzw. p+-leitenden Oberverschiedenen Dotierungsgrades. Die Entfernung der flächenschichten wird ein spezifischer Widerstand beiden Punkte C und D auf der Abszissenachse 5 von weniger als 10~3 Ohm · cm erzeugt, und die bestimmt die Dicke der noch schwach jp-dotierten mittlere Zone wird mit einer Dicke gleich oder kleiner Zone zwischen den stark dotierten Zonen p+ bzw. n+ als 0,100 mm hergestellt. Das Ergebnis war hierbei im Halbleiterkörper. Es gehört nun zum Wesen der eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Erfindung, daß die beiden Kurven b und c mit der Gleichrichters, indem der Widerstand in der Durch-Parallelen α zur Abszissenachse je einen solchen io laßrichtung stark vermindert und der Betrag des Winkel bilden, daß die Neigung, mit welcher diese Stromes in der Durchlaßrichtung durch den Gleich-Kurven von dieser Parallelen ausgehen bzw. sie richter etwa um eine Zehnerpotenz je Flächeneinheit schneiden, einen endlichen Wert hat. Da die Nei- größer gewählt werden kann. Weiterhin werden die gungen durch den Tangens des Winkels bestimmt Leistungsverluste beim Stromdurchgang vermindeit, sind, muß dieser jeweilige Winkel β bzw. γ auf jeden 15 und außerdem wird die Abhängigkeit des WiderFall kleiner als 90°, also ein spitzer Winkel im Sinne stands in der Durchlaßrichtung an dem Siliziumder vorliegenden Erfindung sein. gleichrichter von dem spezifischen Widerstand des
Ein solcher Winkel läßt sich zwar nicht durch Halbleitermaterials in einem wesentlichen Maß beeinen Einlegierungsprozeß erreichen, wohl aber, seitigt, so daß gute Sperreigenschaften aufweisende indem das Störstellenmaterial entweder auf dem zo Gleichrichter hoher Leistung hergestellt werden kön-Wege der Diffusion in den Halbleiter hineingebracht nen.
wird oder indem der Halbleiterkörper für seine gleich- Diesem bekannten Verfahren lagen weder die
zeitige Dotierung gegebenenfalls aus einer Schmelze gleiche Aufgabestellung noch die gleiche Zielsetzung
gezogen wird. wie bei der vorliegenden Erfindung zugrunde, so
In der F i g. 2 ist nun in schematischer Darstellung 25 daß auch für jenes Verfahren nicht die Kombinationsin einem zur Veranschaulichung gewählten Maßstab elemente angegeben waren, die zum Wesen des ein solches Halbleiterelement gemäß der Erfindung Gegenstandes der vorliegenden Erfindung gehören, angedeutet. Es besteht zunächst aus einem Halb- Es war weiterhin ein Verfahren zur Herstellung leiterkörper 1 von der DickeL, z.B. einem Silizium- von pn-Übergängen an Halbleiterbauelementen aus Halbleiterkörper von schwacher p-Leitung, in welchem 30 Silizium bekannt, nach welchem der Halbleiterkörper von der Oberfläche .«4 aus durch Eindotierung eines unter Benutzung eines Keimkristalls aus einer beide Überschußstörstellenmaterials, wie z.B. Phosphor, Arten von Störstellensubstanzen, nämlich sowohl eine stark dotierte η-leitende Zone Ic und von der n- als auch p-Störstellensubstanzen wie Aluminium anderen Oberfläche B aus durch Eindiffusion eines und Phosphor, zugleich enthaltenden Schmelze ge-Mangelstörstellenmaterials, wie z. B. Bor, eine stark 35 zogen wurde und bei welchem gleichzeitig in den dotierte p-leitende Zone Ic erzeugt worden sind. entstehenden Halbleiterkörper Sauerstoff eingebaut Zwischen diesen beiden stark dotierten Zonen Ib wurde. Durch eine Temperaturbehandlung des auf und Ic ist von dem ursprünglichen schwach p-leiten- diese Weise aus der Schmelze erzeugten Halbleiterden Halbleiterkörper noch eine schwach p-dotierte körpers diffundiert dann das Aluminium sowohl an Zone ία verblieben. 40 die äußeren Oberflächen des Halbleiterkörpers als
Auf die Oberfläche dieser dotierten Bereiche ist auch an dessen innere Oberflächen, d. h. an in der
dann noch je eine Kontaktelektrode 2 bzw. 3, z. B. einkristallinen Kristallgitterstruktur vorhandene Ver-
aus Nickel, nach einem stromlosen Abscheidungs- Setzungen. An diesen innere und äußere Oberflächen
verfahren aufgebracht worden. genannten Flächen des Halbleiterkörpers reagiert
Die Dicke der schwach p-leitenden Zone ist dabei 45 das Aluminium mit dem Sauerstoff, indem es mit
so gewählt worden, daß der an dem Halbleiterkörper diesem einen Komplex bildet, so daß demzufolge
zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 gemessene diese Flächen als eine Senke für das Hineindiffun-
Spannungsabfall, wenn in Flußrichtung über diese dieren der Aluminiumstörstellen wirken. Dadurch
Diode ein Strom mit einer Stromdichte von 1 Ampere ergibt sich in der Umgebung der Versetzung bzw.
je mm2 geschickt wird, vorzugsweise innerhalb des 50 der Oberflächen ein ρη-Übergang. Eine solche Ferti-
Bereiches von 1,0 bis 1,15 Volt liegt. gung hat aber mit einem Halbleiterbauelement nach
Bekannt war ein Verfahren zum Herstellen einer der vorliegenden Erfindung weder nach Aufgabegleichrichtenden Halbleiteranordnung mit einem drei stellung, benutzten Mitteln und der Lösung etwas Zonen n+, p, p+ aufweisenden Halbleiterkörper aus gemeinsam.
einkristallinem Silizium, indem ein Halbleiterkörper 55 Es war außerdem an sich bekannt, Halbleiterbauaus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen elemente in der Weise aufzubauen, daß sie ein auf-Widerstand von 0,01 bis 25 Ohm · cm mit einer einanderfolgendes Schichtensystem vom Charakter Lebensdauer der Minderheitsladungsträger von etwa eines psn-Übergangs hatten, wobei der Buchstabe s 5 Mikrosekunden und mit einer Dicke von etwa in diesem Falle einen schwach dotierten Bereich des 0,25 mm hergestellt wird. Bei einer Temperatur von 60 einen oder anderen elektrischen Leitungstyps bemehr als 7500C, z.B. etwa 1200°C, wird während zeichnet.
etwa 16 Stunden auf den Oberflächen des Halbleiter- Durch diesen Lösungsweg allein ist jedoch noch
körpers Phosphor eindiffundiert und dadurch eine kein Weg vorgezeichnet, um zu dem Gegenstand
^-Oberflächenschicht gebildet. Danach wird diese der vorliegenden Erfindung zu gelangen.
^-Oberflächenschicht bis auf diejenige an der einen 65
Oberfläche des Halbleiterkörpers entfernt und von Patentanspruch:
der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiter- Halbleiterbauelement mit mindestens einer p+pn+-
körpers bei einer Temperatur von mehr als 7500C, oder n+np+-Zonenfolge im Silizium-Halbleiter-
1 208 Oil
körper, insbesondere Halbleiterflächengleichrichter oder Halbleiterstromtor, für hohe auftretende Störspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Silizium-Halbleiterkörper in einem an die Oberfläche grenzenden Teil einer äußeren Zone eine Störstellenkonzentration von 1018 bis 10Z0 Störstellen je cm3 besitzt, daß der Gradient des in Richtung zur Mittelzone abnehmenden Störstellenverlaufs in dieser Zone an der Mittelzone kleiner als 1017 Fremdatome je cm4 ist und daß in der schwach mit höchstens etwa 101B Störstellen je cm3 dotierten Mittelzone, welche im Halbleiterkörper zwischen zwei stärker und entgegengesetzt zueinander dotierten Zonen liegt, das Verhältnis der Dicke zur Konzentration der Rekombinationszentren so abgestimmt ist, daß bei einer Stromdichte von 1 Ampere je mma in der Flußrichtung des pn-Ubergangs zwischen den Oberflächen der äußeren Zonen des Halbleiterkörpers ein Spannungsabfall zwischen 1,0 und 1,15 Volt auftritt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 061 446;
französische Patentschrift Nr. 1 252421;
BuU. SEV, Bd. 53, 1962, Heft 4, S. 146 bis 149.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 760/274 12.65 © Bundesdruckerei Berlin
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