DE1276207B

DE1276207B - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1276207B
Application number: DE1966L0054498
Authority: DE
Inventors: Dr Willi Gerlach
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1966-09-09
Filing date: 1966-09-09
Publication date: 1968-08-29

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1276 207

Aktenzeichen: P 12 76 207.1-33 (L 54498)

Anmeldetag: 9. September 1966

Auslegetag: 29. August 1968

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper aus mindestens zwei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, die mindestens einen sperrspannungsübernehmenden pn-übergang bilden.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit Sperrspannungsübernehmenden pn-Übergängen tritt die Forderung auf, die Spannungsfestigkeit dieser pn-Übergänge zu erhöhen. Unter der Spannungsfestigkeit eines Halbleiterbauelementes wird die Eigenschaft verstanden, daß während des Betriebes oder auch bei kurzzeitiger spannungsmäßiger Überlastung keine Änderungen in der Sperrspannungscharakteristik auftreten.

Die elektrischen Eigenschaften eines pn-Überganges, wie z. B. das Sperrverhalten, werden durch die Raumladungszonen, die sich beiderseits der pn-Ubergangsfläche aufbauen, bestimmt. Bei spannungsmäßiger Belastung eines pn-Überganges in Sperrrichtung dehnen sich die Raumladungszonen aus. Bei Erreichen einer kritischen Feldstärke wird durch Stoßionisation in der Raumladungszone die Sperrfähigkeit des pn-Überganges begrenzt. Die der kritischen Feldstärke zugeordnete Spannung wird als ₍ Durchbruchspannung bezeichnet. Diese Durchbruchspannung wird im wesentlichen durch die Dotierung der p- und η-leitenden Zonen des pn-Überganges festgelegt. Da im Volumen im allgemeinen bei Überlastung keine bleibenden Veränderungen der elektrischen Eigenschaften auftreten, wird die Spannungsfestigkeit in starkem Maß durch die Oberflächeneigenschaften des Halbieiterkörpers bestimmt. Unter 4er Oberfläche eines Halbleiterkörpers wird im folgenden der Bereich seiner Oberfläche verstanden, in den die pn-Übergänge münden. Durch die chemisehen und physikalischen Eigenschaften der Oberfläche ist die kritische Feldstärke an der Oberfläche häufig kleiner als die entsprechende Feldstärke im Volumen. Das führt dazu, daß bei Spannungen unterhalb der Volumendurchbruchspannung infolge von relativ großen Oberflächenströmen die Sperrcharakteristik eines pn-Überganges verschlechtert wird oder das Halbleiterbauelement sogar seine Sperrfähigkeit verliert.

Es ist bekannt, die Spannungsfestigkeit von pn-Übergängen auf chemischem Wege oder durch eine entsprechende Formgebung der Oberfläche, wie z. B. eine Abschrägung, zu erhöhen. Diese bekannten Maßnahmen führen aber, insbesondere bei Halbleiterbauelementen mit zwei sperrspannungsübernehmenden pn-Übergängen, nicht immer oder unter erheblichem Flächenverlust zu dem gewünschten Erfolg.

Halbleiterbauelement

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,

6000 Frankfurt, Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:

Dr. Willi Gerlach, 6471 Düdelsheim

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sperrspannungsfestigkeit eines Halbleiterbauelementes unter Vermeidung der genannten Nachteile zu erhöhen.

Die Erfindung, die diese Aufgabe löst, besteht darin, daß eine Zone eines sperrspannungsübernehmenden pn-Überganges im Randbereich des scheibenförmigen Halbleiterkörpers eine Dicke aufweist, die kleiner als die Ausdehnung des Raumladungsgebietes im übrigen Bereich dieser Zone bei der Durchbruchspannung des sperrspannungsübernehmenden pn-Überganges ist.

Das Wesen der Erfindung soll an Hand der schematischen Darstellung nach F i g. 1 erläutert werden. Der Halbleiterkörper! enthält eine η-leitende Zone 2 und eine p-leitende Zone 3. Beiderseits der pn-Übergangsfläche 4 befinden sich die Raumladungsgebiete, deren äußere Begrenzung für den elektrisch unbelasteten Zustand in der Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet ist. Es wurde beispielsweise angenommen, daß die Zone 2 schwächer dotiert ist als die Zone 3 und somit das Raumladungsgebiet in der Zone 2 eine größere Ausdehnung aufweist als das Raumladungsgebiet in der Zone 3. Bei Belastung in Sperrspannungsrichtung dehnen sich die Raumladungsgebiete aus. Die Begrenzung des Raumladungsgebietes bei Erreichen der Durchbruchspannung ist in der F i g. 1 punktiert eingezeichnet. Gemäß der Erfindung ist die Dicke der Zone 3 im Randbereich 5 des Halbleiterkörpers, der in der Figur gestrichelt dargestellt ist, kleiner als die Ausdehnung des Raumladungsgebietes im übrigen Teil der Zone 3 bei der Durchbruchspannung. Das bedeutet, daß in einem bestimmten Sperrspannungsbereich unterhalb der Durchbruchspannung die Dicke der Zone 5 kleiner ist als die Ausdehnung des Raumladungsgebietes. In diesem Fall tritt in dem Randbereich 5 parallel zur pn-Übergangsfläche ein Potentialgefälle auf, so daß sowohl

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senkrecht als auch parallel zur pn-Übergangsfläche die Feldstärke kleiner ist als im übrigen Volumen.

Die optimale Dicke und Breite des Randbereiches 5 können durch einfache Vorversuche bestimmt werden. Es ist besonders vorteilhaft, die Dicke des Randbereiches etwa gleich der Ausdehnung des Raumladungsgebietes bei der halben Durchbruchspannung zu wählen.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter, bei dem zwei benachbarte pn-Übergänge Sperrspannung übernehmen. In F i g. 2 enthält der Halbleiterkörper 20 vier Zonen, abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps 21, 22, 23 und 24. Die drei Zonen 21, 22 und 23 bilden die Sperrspannungsübernehmenden pn-Ubergänge 25 und 26 des steuerbaren Halbleitergleichrichters. Der Übersichtlichkeit halber wurden in den Fig.2 und 3 die Elektrodenanschlüsse und der Steuerkontakt nicht dargestellt. Die Begrenzung des Raumladungsgebietes ist nur für den elektrisch unbelasteten Zustand eingezeichnet. Bei dem unteren pn-übergang 25 wird die Oberflächenfeldstärke in bekannter Weise durch eine Abschrägung unter dem Winkel α erzielt. Die gleiche Maßnahme würde für den oberen pn-übergang nur dann zum Erfolg führen, wenn der Halbleiterkörper an seiner Peripherie unter einem sehr flachen Winkel (bei 1000 V etwa 1,5°) abgeschrägt wäre. Diese bekannte Maßnahme führt aber zu einer starken Verkleinerung der aktiven Stromführungsfläche. Bei der Ausbildung nach der Erfindung wird gegenüber den bekannten Ausführungsformen von steuerbaren Halbleitergleichrichtern die Oberflächenfeldstärke für beide benachbarte pn-Übergänge verringert, wobei keine wesentliche Verkleinerung der Stromführungsfläche auftritt. Der untere pn-übergang läßt sich ohne weiteres auch nach der Erfindung ausbilden.

Der weiteren Erläuterung soll ein Zahlenbeispiel dienen. Ausgehend von einer η-leitenden Siliziumscheibe mit einem spezifischen Widerstand von etwa 150 Ω · cm werden durch Galliumdiffusion zwei p-leitende Zonen mit einer Tiefe von etwa 100 μ erzeugt. Der Randbereich 27 des Halbleiterkörpers wird in bekannter Weise von einer Scheibenfläche aus so weit abgetragen, daß seine Dicke zwischen der Begrenzung des Halbleiterkörpers einerseits und der pn-Übergangsfläche 26 andererseits 10 bis 15 μ beträgt. Die Ausdehnung des Randbereiches vom Scheibenrand bis zu der abgesetzten Stufe beträgt 1 bis 1,5 mm. Bei dieser Dimensionierung kann der pn-übergang bis zu der Durchbruchspannung von etwa 2500 V sicher belastet werden.

An Hand der F i g. 3 a und 3 b wird eine besonders günstige geometrische Form des Halbleiterkörpers für einen nach der Erfindung ausgebildeten steuerbaren Halbleitergleichrichter beschrieben. Fig. 3 zeigt einen scheibenförmigen Halbleiterkörper 30, der an seinem Rand einen überstehenden Teil aufweist. Durch Diffusion wird parallel zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers 30 ein p-leitender Bereich erzeugt. Die Höhe des überstehenden Randteils und die Diffusionstiefe werden so aufeinander abgestimmt, daß nach Abtragen des überstehenden Teils ein Randbereich 34 mit der gewünschten Dicke entsteht. Mit dem Halbleiterkörper nach Fig. 3b kann dann in bekannter Weise ein steuerbarer Halbleitergleichrichter hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper aus mindestens zwei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, die mindestens einen Sperrspannungsübernehmenden pn-übergang bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zone (3) eines sperrspannungsübernehmenden pn-Uberganges (4) im Randbereich (5) des Halbleiterkörpers (1) eine Dicke aufweist, die kleiner als die Ausdehnung des Raumladungsgebietes im übrigen Bereich dieser Zone (3) bei der Durchbruchspannung des Sperrspannungsübernehmenden pn-überganges (4) ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Randbereiches (5) gleich der Ausdehnung des Raumladungsgebietes bei der halben Durchbruchspannung ist.

3. Halbleiterbauelement mit einem sperrspannungsübernehmenden pn-übergang zwischen einer äußeren Zone und einer inneren Zone nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der äußeren Zone (33) benachbarte innere Zone (32) unterhalb des Randbereiches (34) eine größere Ausdehnung aufweist als im übrigen Bereich dieser Zone (32).

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement ein steuerbarer Halbleitergleichrichter ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen