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Elektrisches Halbleiterbauelement mit mindestens einem an die Oberfläche
des Halbleiterkörpers tretenden pn-Übergang und Verfahren zum Herstellen eines solchen
Bauelements
| Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten |
| A ufbnni eines elektrischen Halbleiterbauelements mit |
| mindestens einem an die Oberfläche des Halbleiter- |
| köi-pers tretenden pn-Übergang sowie auf Verfahren |
| zum 1-Ierstellen eines solchen Halbleiterbauelements. |
| Durch diesen verbesserten Aufbau soll insbeson- |
| dere eine Vorbeugung gegen Oberflächeneinflüsse er- |
| reicht werden, die sich sonst elektrisch nachteilig auf |
| tlie oberflächennahen Bereiche des Halbleiterkörpers, |
| n;inilich in diesen nachteilig auf die Ladungsträger- |
| dichte. atiswirken und dadurch die Sperrfähigkeit |
| des j@@@-eiligcn pn-Übergangs und die Betriebstüchtig, |
| kcit eines solchen. Halbleiterbauelements nachteilig |
| beeinflussen können. |
| Mir eine solche Zielsetzung ist es bereits bekannt- |
| an der Oberfläche eines schwach dotierten |
| Halbleiterkörpers, an der ein großflächiger pn-Über- |
| ,-an- heraustritt. anschließend an die äußere Grenze |
| des@pn-Überganas die Oberflächenschicht des Halb- |
| leiterkörpers mit Störstellen des entgegengesetzten |
| elektrischen Leitungstyps so weit anzureichern, daß |
| eine durch Oberflächeneinflüsse hervorgerufene Er- |
| höhung der elektrischen Leitfähigkeit mindestens teil- |
| weise kompensiert wird. |
| Es soll also nach diesem bekannten Verfahren eine |
| ewsprechend der elektrischen Reichweite von Ober- |
| flächeneinflüssen am schwach dotierten Ausgangs- |
| halbleiterkörper in ihrer elektrischen Leitfähigkeit |
| erhöhte Oberflächenschicht_ in ihrem Leitfähigkeits- |
| wert wieder an diesen ursprünglichen ohne die Ober- |
| flächeneinflüsse bestandenen Leitfähigkeitswert her- |
| werden. Hierfür ."erden bei deal berann- |
| ten Verfahren als aeei@@nete Behandlungsmethoden |
| der Genannten Oberflächenteile des Halbleiterkör- |
| pers, z. B. bei einem schwach p-leitenden Halbleiter- |
| ausgangskörper, das Einbrin-gen der zusätzlichen Do- |
| naeorstörstellen zugleich mit der Z=ierstellung des pn- |
| Überaanas durch Einlegieren oder Eindi zundieren |
| oder eine bcsond@ere nachträglich vorgenommene Be- |
| wie z. B. durch Aufstäuben, Aufaliminen, |
| gegebenenfalls gefolgt von einer @`Järmebehandlung |
| zvlecäzs Eindiffusion bei einer verhältnismäßig nied- |
| rir.en Temperatur, die unterhalb der Schmelztempe- |
| ratur der beteiligtün sto°ie liegt, angegeben. |
| Die "v@äliegeilile Enindunn Geht nun bei ihrer Ziel- |
| setzung von %i?de_'äiä L«'erle`?ingen aus. |
| Es ist belannr, bei ei@hiistalüne@i Halbleiteranord- |
| i1ungen dein als Sperrseliiclit :zirl:=sarieii prl-Übergai1g |
| =xiclien eine hoch dotierte Zone des einen und eine |
| sch-;aach dotierte Zone des anderen Dotierungsvorzei- |
| cli#ziis zu legen. Die `Virkuiias@,Teise derartiger Anord- |
| nungen und das der Erfindung zugrunde liegende |
Problem seien an Hand von F i g. 1 erläutert, die in schematischer Form einen an
sich bekannten Silizium-Gleichrichter mit der Dotierungsfolge p-si,-n darstellt.
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In der F i g. 1 ist mit 1 eine Aluminium-Grundplatte und mit 2 der
Silizium-Einkristall bezeichnet. Unmittelbar über der Aluminiumplatte 1 liegt eine
hoch p-dotierte Schicht 3 mit einer Konzentration von et=.-ja 101s Aluminium-Störstellen
pro Kubikzentimeter. Über der Schicht 3 lieät eine schwach p-dotierte Schicht 4
mit einer Konzentration von
| etwa 101e Bor-Störstellen pro Kubikzentimeter. Mit 5 |
| ist eine hoch n-dotierte Zone mit einer Konzentration |
| von etwa 1019 Antimon-Störstellen pro Kubikzenti- |
| meter bezeichnet. An die Zone 5 schließt sieh eine |
| Elektrode 6 an, die aus Gold mit Antirnonzusatz be- |
| steht. Die Grenzfläche der Zone 5 ist durch eine aus- |
| gezogene Linie 51b angedeutet. Die gesamte Anord- |
| nung ist etwa rotationssymmetrisch um die Achse 7. |
| Wird aii den Gleichrichter in der in der F i g. 1 |
| angedeuteten Richtung eine Sperrspannung angelegt, |
| so entstehen in den Zonen 4 und 5 durch >b@;@ande@n |
| der b,°wegliehen Ladungsträger, nämlich der Elektro- |
| nen bzw. Löcher, Raurnladungsschichten, deren |
| Grenzflächen durch die gestrichelten Linien 4a bz%xr. |
| 5a angedeutet sind. Die Dicke der Raumladungs- |
| schichten ist bei einer :;e2ebenen Sperrspannun? um |
so größer, je kleiner die Störstellenkonzentration in der betreffenden
Zone ist. Sie ist daher in der hoch dotierten Zone 5 um einige Zehnerpotenzen geringer
als in der Zone 4. Die Dicke der Raumladungsschicht hängt ferner von der angelegten
Sperrspannung ab, und zwar wächst sie mit der Quadratwurzel aus dieser Spannung.
Mit wachsender Sperrspannung wird daher die Feldstärke in der Raumladungsschicht
größer; überschreitet sie einen bestimmten Wert, so tritt infolge Stoßionisation
ein Durchbruch der Sperrschicht ein, der die Sperrfähigkeit des Gleichrichters begrenzt.
Die sogenannte Durchbruchsspannung der Sperrschicht liegt um so höher, je größer
die Breite der Raumladungsschichten bei einer bestimmten Spannung ist. Die schwach
p-dotierte Zone 4 hat die Aufgabe, eine Raumladungsschicht großer Dicke zu liefern.
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Beim Anlegen einer Spannung in Flußrichtung wird der Vorwärtsstrom
von den Ladungsträgern der hoch dotierten n- und p-Zonen getragen; die Ladungsträger
haben eine so große Lebensdauer, daß sie den Abstand zwischen der n-Zone und der
p-Zone ohne wesentliche Verluste überbrücken können.
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Es ist, wie bereits angeführt wurde, bekannt, daß pn-Halbleiteranordnungen
der in F i g. 1 dargestellten Art gegen Oberflächenverunreinigungen überaus empfindlich
sind. Die für die Entwicklung der im nachfolgenden beschriebenen Erfindung in Betracht
gezogene Wirkung derartiger Verunreinigungen kann vermutlich etwa, wie folgt, physikalisch
gedeutet werden.
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Es sei angenommen, daß am Gleichrichter eine Sperrspannung liegt,
so daß sich in der Zone 4 eine Raumladungsschicht mit der Grenzfläche 4 a ausbildet.
Es sei ferner angenommen, daß die Oberfläche durch Atome 10 verunreinigt ist, die
die Neigung haben, negative Ionen zu bilden. Derartige Stoffe können beispielsweise
aus Säuredämpfen stammen. Die Anlagerung bzw. Bildung eines negativen Ions an der
Oberfläche. der schwach p-dotierten Zone 4 wirkt ähnlich wie die Einführung eines
zusätzlichen Akzeptors in den Oberflächenbereich dieser Zone. Die Akzeptorendichte
dieser Zone wird also im Oberflächenbereich erhöht; das hat zur Folge, daß die Raumladungsschicht
an dieser Stelle zusammenschrumpft, und zwar etwa entsprechend der in der F i g.
1 mit 11 bezeichneten punktierten Linie. Da an dieser Stelle die Dicke der Raumladungsschicht
geringer geworden ist, ist auch die Sperrfähigkeit des Gleichrichters abgesunken;
mit anderen Worten der Durchbruch tritt bei einer niedrigeren Spannung ein.
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Es ist üblich, die Oberfläche des Halbleiterkristalls, insbesondere
an den Austrittsstellen des pn-Übergangs, so gründlich wie möglich zu reinigen,
beispielsweise durch Ätzen. Abgesehen davon, daß dies nur in beschränktem Umfang
möglich ist, wird die Empfindlichkeit der Anordnung gegen später hinzukommende Verunreinigungen
dadurch nicht behoben.
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Zur Verbesserung der Arbeitsweise von elektrischen Halbleiterbauelementen
mit einkristallinem Halbleiterkörper sowie mindestens einem an die Oberfläche des
Halbleiterkörpers tretenden pn-Übergang unter Berücksichtigung einer Vorbeugung
von Oberflächeneinflüssen von negativem oder positivem Einwirkungscharakter, so
daß das Erzeugnis betriebsmäßig gegenüber solchen Einflüssen praktisch unempfindlich
gemacht wird, ist das Halbleiterbauelement erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß
zwischen einer stark dotierten Zone eines ersten Leitungstyps und einer schwach
dotierten Zone eines zweiten entgegengesetzten Leitungstyps eine schwach dotierte
Zone des ersten Leitungstyps angeordnet ist, welche die stark dotierte Zone des
ersten Leitungstyps mindestens nahe der Oberfläche des Halbleiterkörpers umschließt
und welche mindestens eine Dicke entsprechend derjenigen Tiefe hat, bis zu welcher
sich Einflüsse an der Oberfläche vorhandener Anlagerungen elektrisch in dem Halbleiterkörper
auf die Ladungsträgerdichte auswirken können.
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Die Anlagerungen können dabei an der Oberfläche des Halbleiterkörpers
absorbierte oder adsorbierte Stoffe sein.
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Die Dicke der genannten schwach dotierten Zone ist dabei derart größer
als die Reichweite und elektrische Kraft dieser eingelagerten Stoffe, daß an der
Oberfläche des Halbleiterkörpers zwei schwach dotierte aneinandergrenzende Zonen
entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps heraustreten, in denen eine bestimmte
Verschiebung der dem pn-übergang zwischen beiden Zonen abgewandten Grenzflächen
der in beiden schwach dotierten Zonen entsprechend der am Halbleiterbauelement liegenden
vorgegebenen Sperrspannung gebildeten Raumladungszonen stattfinden kann. Diese mögliche
Verschiebung soll eine solche sein, daß in der oberflächennahen Zone des Halbleiterkörpers
durch elektrisch negativ oder positiv wirkende Oberflächeneinflüsse hervorgerufene
Verlagerungen dieser Grenzflächen niemals zu einem Unterschreiten eines erwünschten
vorgegebenen gegenseitigen Abstandes der genannten Grenzflächen, also nur zur Erhaltung
eines Mindestwertes der maßgeblichen Gesamtdicke beider anteiligen Raumladungszonenbereiche
führen können und damit also die Erhaltung eines Mindestwertes der maßgeblichen
Gesamtdicke beider anteiligen Raumladungszonen gewährleistet ist.
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Weitere vorteilhafte technische Merkmale, die in Verbindung mit der
grundsätzlichen Erfindung zur Anwendung gelangen können, werden sich im Verlaufe
der nachfolgenden Beschreibung und der Erläuterung des Ausführungsbeispiels nach
der F i g. 2 der Zeichnung ergeben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der F i g. 2 schematisch
dargestellt. Es handelt sich in der F i g. 2 wiederum um einen Siliziumgleichrichter;
soweit in der F i g. 2 die gleichen Hinweiszeichen verwendet sind wie in der F i
g. 1, haben sie die gleiche Bedeutung.
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Zum Unterschied von der Anordnung nach der F i g. 1 ist bei dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung nach der F i g. 2 die hoch n-dotierte Zone 5 von einer schwach n-dotierten
Zone 15 umgeben, die sich ringförmig an die Zone 5 anschließt. Die Grenzfläche der
schwach n-dotierten Zone 15 gegenüber der schwach p-dotierten Zone 4 ist mit
15b bezeichnet. Die Fläche 15 b tritt an der Oberfläche des Kristalls
mit einer kreisförmigen Grenzlinie aus, die die entsprechende Austrittslinie der
Fläche 5 b vollständig umschließt.
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Legt man an die Anordnung nach der F i g. 2 in der angedeuteten Weise
eine Sperrspannung, so bilden sich in den Zonen 4, 15 und 5 Raumladungsschichten
aus. Die Raumladungsschichten sind etwa durch die gestrichelt angedeuteten Flächen
4 a, 15 a
und 5 a begrenzt. Die Dotierungen der beiden
schwach
dotierten Zonen 4 und 15 sind so gewählt, daß sich die angelegte Sperrspannung an
ihrer Grenzfläche 15 b etwa im Verhältnis 1 : 1 auf die Raumladungsschichten der
beiden Zonen verteilt; das entspricht etwa einer gleichen Dicke beider Raumladungsschichten.
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Oberflächenverunreinigungen haben bei der Halbleiteranordnung nach
der Erfindung die folgende Wirkung: Die Anlagerung von Atomen 10, die negative
Ionen bilden, also als Akzeptoren wirken (vgl. dazu die linke Seite der F i g. 2),
hat - ähnlich wie es im Zusammenhang mit der F i g. 1 geschildert wurde -zur Folge,
daß die Raumladungsschicht in der Zone 4 an der Oberfläche des Kristalls zusammenschrumpft
(punktierte Begrenzung 16). In der schwach n-dotierten Zone 15 haben dagegen die
oberflächlich angelagerten Akzeptoren die Wirkung, daß der Störstellengehalt an
der Oberfläche vermindert, die Breite der Raumladungsschicht also vergrößert wird
(punktierte Begrenzungslinie 17). Wie aus der linken Hälfte der F i g. 2
ersichtlich ist, bleibt dabei der Abstand der Raumladungs-Grenzflächen 16 und
17 im wesentlichen der gleiche wie der Abstand der Grenzflächen 4a und 15a
bei ideal reiner Kristalloberfläche. Die Verunreinigung der Oberfläche hat also
keinen oder mindestens einen sehr verringerten Einfluß auf die Sperrspannungsfestigkeit
der Halbleiteranordnung.
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\C'erden an der Oberfläche des Kristalls Atome 20 angelagert, die
positive Ionen bilden, also als Donatorcn wirken (vgl. dazu die rechte Hälfte der
1~ i g. 2), so x-erbreiert sich die Raumladungsschicht in der Zone 4 (punktierte
Begrenzung 18), während die Dicke der Raumladungsschicht in der Zone 15 abniinnit
(punktierte Begrenzung 19). Insgesamt bleibt auch hier die Gesamtbreite beider Raumladungsschichten
etwa die gleiche.
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Die Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist also sowohl gegen donatoren-
wie akzeptorenartige Verunreinigungen der Oberfläche weitgehend unempfindlich.
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In der F i `. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
bei der die hoch n-dotierte Zone 5 nur in einem rindförmigen Bereich von der schwach
n-dotierten Zone 15 umgeben ist, während ihr zentraler Teil unmittelbar an die schwach
p-dotierte Zone 4 angrenzt. Da es für den angestrebten Effekt, die Wirkung von Oberflächenverunreinigungen
auszuschalten, auf die Lage der Dotierungszonen in der Nähe der Oberfläche ankommt,
kann man an sich auch die schwach n-dotierte Zone 15 so ausbilden, daß sie die Zone
5 kalottenartig vollständig umschließt. Die dargestellte Ausführungsform mit ringt'
Zone 15 ist jedoch vorzuziehen, da eine zusätzliche Dotierung der Zwischenzone zwischen
den hochdotierten Zonen 5 und 3 die Lebensdauer der Ladungsträger in diesem Gebiet
beträchtlich verrin-,gern und damit die Durchlaßeigenschaften des Gleichrichters
verschlechtern kann.
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Zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach ehr Erfindung kann
man in der Weise verfahren, daß man zunächst in an sich bekannter Weise durch Einführen
des Dotierungsstoffes von der Oberfläche her eine schwach dotierte Zone erzeugt
und dann einen zentralen Bereich dieser Zone in entsprechender Weise hoch nachdotiert,
so daß sich insgesamt eine Dotierungsverteilung gemäß der F i g. 2 ergibt. Bei Halbleiteranordnungen
mit Silizium als Kristallgrundstoff ist es an sich bekannt, den Kristall im sogenannten
Legierungsverfahren mittels einer aufgelegten und zum Schmelzen gebrachten Gold-Antimon-Folie
zu dotieren, wobei Antimon das wirksame Störstellenmaterial ist. Eine Halbleiteranordnung
nach der vorliegenden Erfindung kann in entsprechender Weise dadurch hergestellt
werden, daß die schwach dotierte Zone mittels einer Goldfolie mit einem Antimongehalt
von etwa 1 : 106 oder weniger (Gewichtsverhältnis) erzeugt wird, daß diese Folie
nach dem Einlegieren z. B. durch Abätzen von der Kristalloberfläche entfernt wird
und daß anschließend die hoch dotierte Zone mittels einer Goldfolie kleinerer Fläche
mit einem Antimongehalt von etwa 1 :10° hergestellt wird.
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Die Erfindung ist nicht nur bei den geschilderten Halbleiterdioden,
sondern in entsprechender Weise auch bei Halbleiteranordnungen anderer Art, insbesondere
Transistoren und anderen mehrschichtigen Halbleiterbauelementen, wie z. B. Halbleiter-Stromtoren,
anwendbar.