DE1278023B - Halbleiterschaltelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Halbleiterschaltelement und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE1278023B
DE1278023B DEW38582A DEW0038582A DE1278023B DE 1278023 B DE1278023 B DE 1278023B DE W38582 A DEW38582 A DE W38582A DE W0038582 A DEW0038582 A DE W0038582A DE 1278023 B DE1278023 B DE 1278023B
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semiconductor switching
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John J Steinmetz Jun
Adalbert N Knopp
Richard T Kuehn
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CBS Corp
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Westinghouse Electric Corp
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
HOU
Deutsche KL: 21 g -11/02
Nummer: 1278 023
Aktenzeichen: P 12 78 023.3-33 (W 38582)
Anmeldetag: 19. Februar 1965
Auslegetag: 19. September 1968
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltelement, bestehend aus einem scheibenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Germanium oder Silizium, mit vier übereinandergeschichteten Zonen abwechselnden Leitungstyps, an dessen einer Flachseite eine Metallfolie unter Ausbildung einer mit einer Elektrode versehenen Rekristallisationszone, welche eine der vier Zonen darstellt, anlegiert ist, mit einem auf der gleichen Flachseite des Halbleiterkörpers befindlichen wenigstens teilweise an der Oberfläche des Halbleiterkörpers elektrisch kurzgeschlossenen pn-übergang zwischen der Rekristallisationszone und der ihr benachbarten Zone sowie mit einer weiteren Elektrode auf der anderen Flachseite des Halbleiterkörpers, an der ein Trägerkörper aus einem elektrischen Strom und Wärme gut leitenden, bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Halbleiterkörper angepaßten Metall einlegiert ist.
Ein Halbleiterschaltelement, dessen übereinandergeschichtete Zonen beispielsweise npn- und p-leitend sein können, hat eine solche Durchlaßkennlinie, daß der Widerstand des Elements von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert abgesenkt wird, wenn an die vier übereinandergeschichteten Zonen des Elements eine bestimmte Spannung, die Kippspannung, gelegt wird. Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Kippspannung verhältnismäßig groß, z. B. größer als 500 Volt, ist. Andere Halbleiterschaltelemente sind als steuerbare Gleichrichter oder Thyristoren bekannt. Diese besitzen eine Steuerelektrode an einer der beiden inneren Zonen, mit deren Hilfe es gelingt, den Durchlaßwiderstand des Elements zu verringern, selbst wenn die an den äußeren Zonen angelegte Spannung nicht die Größe der Kippspannung besitzt. Für steuerbare Halbleitergleichrichter oder Thyristoren ist eine verhältnismäßig hohe Kippspannung erforderlich, um den Schaltvorgang wirksam mit Hilfe des durch die Steuerelektrode gebildeten Tores zu steuern. Hierbei bedeutet Kippspannung diejenige an den beiden äußeren Zonen des Halbleiterschaltelements liegende Spannung, die ein Durchlässigwerden des Elements bewirkt, ohne daß ein Signal auf die Steuerelektrode gegeben wird.
Weiterhin ist es wünschenswert, daß derartige Halbleiterschaltelemente eine verhältnismäßig temperaturunabhängige Kippspannung besitzen. Bisher zeigten jedoch diese Halbleiterschaltelemente einen scharfen Abfall der Kippspannung mit ansteigender Temperatur. Vielfach besaßen auch die nach bekannten Verfahren hergestellten Halbleiterschalt-
Halbleiterschaltelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder:
Westinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Richard T. Kuehn, Ligonier, Pa.;
Adalbert N. Knopp, Greensburg, Pa.;
John J. Steinmetz jun., Monroeville, Pa.
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. Februar 1964
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elemente eine hohe Ausschußquote, da eine Reihe von Elementen bei Temperaturen um 125° C und darüber die Kippspannung Null besaßen. Das bedeutet, daß derartige Halbleiterschaltelemente bei diesen Temperaturen auf Grund thermischer Vorgänge im Element nicht im Zustand hohen Widerstandes gehalten werden können. Es ist bisher ein ernstes Problem gewesen, die Herstellung von Halbleiterschaltelementen so durchzuführen, daß eine hohe temperaturunabhängige Kippspannung gewährleistet wurde. Daher war auch die Ausbeute bei der Herstellung derartiger Elemente verhältnismäßig gering.
Eine weitere wichtige Eigenschaft steuerbarer Halbleitergleichrichter oder Thyristoren ist ihre Leistung. Um eine maximale Leistung zu erreichen, muß der Strom in Durchlaßrichtung eine maximale Größe besitzen, ohne daß er durch thermische Vorgänge im Element herabgesetzt wird. Für die Konstruktion von Halbleiterschaltelementen bedeutet dies, daß zum Zweck der Abfuhr der im Betriebszustand entstehenden Wärme für großflächige Elek-
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troden mit geringem Widerstand, für die Vermeidung thermischer Spannungen und für andere Dinge gesorgt werden muß. Die Leistung von Halbleiterschaltelementen kann jedoch nicht einfach dadurch vergrößert werden, daß man die Größe der Halblehrelemente erhöht. Der Grund hierfür ist darin zu suchen, daß größere Halbleiterscheiben große Ungleichmäßigkeiten des Widerstandes und der Lebensdauer der Ladungsträger zeigen und sich somit zusätzliche Probleme ergeben, um Übergänge mit bestimmten Eigenschaften zwischen den Zonen verschiedenen Leitungstyps im Halbleiterelement zu erhalten.
Es hat sich gezeigt, daß man die größte Leistung eines Halbleiterschaltelements gegebener Größe am besten dann erreicht, wenn das Element durch eine Kombination von Diffusions- und Legierungsschritten hergestellt wird. Drei Zonen des aus vier Zonen bestehenden Elements werden dadurch hergestellt, daß eine Schicht bestimmten Leitungstyps durch Eindiffusion von Fremdatomen in einem scheibenförmigen Ausgangskörper aus Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt und an oder nahe den Mantelflächen des Körpers aufgetrennt wird, um getrennte Diffusionszonen auf den Flachseiten des Halbleiterkörpers zu erhalten. Die vierte Zone (Emitter) wird dadurch hergestellt, daß auf einer Flachseite an der Diffusionsschicht eine Folie anlegiert wird, die mit einem Stoff verunreinigt ist, der denselben Leitungstyp im Halbleiterkörper erzeugt, wie dessen Ausgangsmaterial hatte. Nach der Abkühlung befindet sich an der Emitterzone eine Elektrode, die aus dem Eutektikum besteht, das in gutem thermischen und elektrischen Kontakt mit im wesentlichen der ganzen Flachseite des Halbleiterkörpers steht, so daß das Halbleiterschaltelement auch noch bei hoher Leistung betrieben werden kann. Der Aufbau derartiger diffundierter und legierter Halbleiterschaltelemente ist in der USA.-Patentschrift 2 980 832 beschrieben.
Um den Betrieb des Halbleiterschaltelements bei hoher Leistung zu ermöglichen, wird dieses in einem Gehäuse mit einem lotfreien Druckkontakt angeordnet. Das Halbleiterschaltelement besitzt vier in derselben Weise angeordnete, durch Diffusion und Legierung hergestellte Zonen abwechselnden Leitungstyps. Jedoch wird das Halbleiterschaltelement in seiner Halterung nicht durch Löten befestigt, sondern die Elektroden des Elements werden unter gleichbleibendem Druck kontaktiert, um eine gute thermische und elektrische Verbindung zu gewährleisten. Bevor das Halbleiterschaltelement in einem mit einem Druckkontakt versehenen Gehäuse angeordnet wird, müssen die unter Druck zu kontaktierenden Elektrodenflächen genügend glatt sein, um eine gute Verbindung zu gewährleisten. Ätzmittel, mit denen die Oberfläche des halbleitenden Materials behandelt wird, können die unter Druck zu kontaktierenden Elektrodenflächen angreifen und Ungleichmäßigkeiten auf ihnen hervorrufen. Sind die Elektrodenflächen nicht gegen das Ätzmittel geschützt, so kann sich noch ein Nachteil dadurch ergeben, daß durch das Ätzmittel Metall zu den frei liegenden Übergängen zwischen den Zonen entgegengesetzten Leitungstyps des Elements getragen wird.
Es hat sich herausgestellt, daß ein kurzgeschlossener Emitter-Basis-Übergang des Halbleiterelements die thermische Stabilität insbesondere bei einem steuerbaren Gleichrichter oder Thyristor wesentlich verbessert. Leistungsthyristoren mit einer oben beschriebenen einlegierten Emitterzone und einem durch Legieren teilweise kurzgeschlossenen Emitter-Basis-Ubergang sind bereits hergestellt worden. Diese Abwandlung im üblichen Herstellungsverfahren von Leistungsthyristoren ist mit Erfolg angewandt worden, jedoch haben sich Schwierigkeiten ergeben bei der notwendig sehr genauen Anbringung der zusätzlichen Legierungsfolie in bezug auf die Folie, aus der der Emitter entstehen soll. Es muß nämlich ein wirksamer Kurzschluß geschaffen werden, ohne daß die eindiffundierte Basisschicht vom Legierungsmaterial in unübersehbarer Weise durchdrungen wird. Außerdem kann die Rekristallisationsschicht, die sich beim Einlegieren einer Kurzschlußverbindung im Halbleitermaterial ausbildet, durch die Ätzmittel, mit denen das Halbleitermaterial anschließend behandelt wird, stark angegriffen werden. Dadurch kann die Wirksamkeit des auf die Oberfläche des Schaltelements einlegierten Kurzschlusses stark beeinträchtigt werden. Die Rekristallisationsschicht kann sich auch unbeabsichtigt bis zum im Halbleitermaterial des Elements befindlichen pn-übergang erstrecken und das Element unwirksam machen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Halbleiterschaltelement mit einem elektrisch kurzgeschlossenen Emitter-Basis-pn-Übergang zu schaffen, dessen Kippeigenschaften unter Wahrung der Leistung weitestgehend temperaturabhängig sind. Ferner sollen die Kontaktflächen am Halbleiterschaltelement gegen den Angriff von Ätzmitteln geschützt und so glatt sein, daß sie durch lotfreie Druckkontakte einwandfrei kontaktiert werden können. Außerdem soll verhindert werden, daß während des Ätzens Metallatome zu an der Oberfläche des Halbleiterkörpers frei liegenden pn-Übergängen gelangen, wodurch die Stabilität der Kennlinie des Halbleiterschaltelements gestört werden würde.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterschaltelement der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sowohl die Oberfläche der Elektrode und die Oberfläche des Halbleiterkörpers am pn-übergang zwischen der Rekristallisationszone und der ihr benachbarten Zone auf der einen Flachseite als auch die Oberfläche des an der Elektrode auf der anderen Flachseite anlegierten Trägerkörpers mit einer Haftschicht aus gegen Ätzmittel widerstandsfähigem Metall bedeckt ist. Die Haftschicht besteht vorteilhaft aus Gold oder Silber oder einem Metall der Platingruppe des Periodensystems der Elemente.
Die Haftschicht wird nach dem Anbringen der Elektroden und des Trägerkörpers am Halbleiterkörper zunächst auf der gesamten Oberfläche des Halbleiterschaltelements, gegebenenfalls mit Ausnahme eines Bereichs zwischen der auf der einen Flachseite anlegierten Elektrode und einer auf der gleichen Flachseite befindlichen Zusatzelektrode, durch Tauchplattierung oder Aufdampfen abgelagert und anschließend von der Mantelfläche des Halbleiterkörpers mechanisch, vorzugsweise durch Sandstrahlen oder Abschleifen, abgetragen.
Zweckmäßig ist die durch Ätzmittel nicht angreifbare Haftschicht auf der gesamten Oberfläche der Anode des Schaltelements abgelagert, um diese vor
dem Angriff des Ätzmittels zu schützen. Hierdurch wird sichergestellt, daß die gesamte Oberfläche der Anode mit der Halterung in Verbindung steht, auf die das Schaltelement in einer lotfreien Druckkontaktverbindung gepreßt wird.
Es ist zwar ein Halbleiterbauelement bekannt (deutsche Auslegeschrift 1133 038) mit einem vier Zonen abwechselnden Leitungstyp enthaltenden scheibenförmigen Halbleiterkörper, an dessen einer Flachseite zwei Elektroden anlegiert sind. Die Rekristallisationszone unter einer dieser beiden Elektroden stellt eine der vier Zonen abwechselnden Leitungstyp dar. Der Oberflächenteil des Halbleiterkörpers zwischen den beiden einlegierten Elektroden und damit der dort zutage tretende pn-übergang sind mit einer dünnen, einen Nebenschluß bewirkenden Metallschicht überzogen. Diese Metallschicht bedeckt jedoch keine der beiden Legierungselektroden. Auch ist an der auf der anderen Flachseite des Halbleiterkörpers einlegierten Elektrode kein Trägerkörper aus dem Halbleiterkörper bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten angepaßten Metall angebracht, sondern ein Anschlußdraht. Weder diese Elektrode noch der Anschlußdraht weisen einen ätzbeständigen Metallüberzug auf.
Ferner ist ein Halbleiterbauelement mit einem vier Zonen abwechselnden Leitungstyps enthaltenden Halbleiterkörper und zwei flächenhaften Elektoden bekannt (deutsche Auslegeschrift 1154 872). Diese flächenhaften Elektroden, von denen wenigstens eine den pn-übergang zwischen zwei Zonen an der Oberfläche des Halbleiterkörpers überbrückt, sind jedoch nicht in den Halbleiterkörper einlegiert, sondern sie bestehen z. B. aus auf den Halbleiterkörper aufgedampften Goldschichten, die auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht und mit Metallteilen verlötet sind. Diese Metallteile weisen keinen ätzbeständigen Metallüberzug auf, so daß während einer abschließenden Ätzbehandlung nach dem Lötvorgang die Gefahr besteht, daß das Metall zu den frei liegenden pn-Übergängen getragen wird.
Schließlich ist auch ein Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper bekannt (deutsche Auslegeschrift 1117773), auf dessen einer Flachseite eine Legierungselektrode angeordnet ist, an der ein Trägerkörper mit einem Goldüberzug anlegiert ist. Jedoch sind weder der Halbleiterkörper noch andere an ihm angebrachte Metallelektroden mit einem ätzbeständigen Metallüberzug versehen.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Halbleiterschaltelement, wie es bisher hergestellt wurde und das gemäß der Erfindung abgewandelt werden kann;
F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch ein Halbleiterschaltelement nach Fig. 1, das dem ersten Schritt des Verfahrens gemäß der Erfindung unterworfen worden ist;
F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Halbleiterschaltelement nach F i g. 2 nach Abschluß des Verfahrens gemäß der Erfindung.
In der Zeichnung sind die Abmessungen am Halbleiterelement, insbesondere die Dicken, zur besseren Übersicht stark vergrößert dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, daß zwar ein Element mit npnp-Zonenfolge dargestellt ist, die Erfindung aber auch auf Elemente mit pnpn-Zonenfolge angewandt werden kann.
F i g. 1 zeigt den Grundaufbau eines Halbleiterschaltelements, das durch Diffusion und Legierung hergestellt worden ist und das mit Hilfe der Erfindung verbessert werden kann. Das Schaltelement besitzt vier übereinandergeschichtete halbleitende Zonen mit abwechselndem Leitungstyp, nämlich die Emitterzone 10, die Basiszone 12, die Basiszone 14 und die Emitterzone 16, sowie die pn-Übergänge 11, 13 und 15 zwischen benachbarten Zonen. Die Zone
ίο 10 ist ringförmig. Die Zonen 12 und 16 und die Übergänge 13 und 15 sind in diesem Stadium des Herstellungsverfahrens an der Mantelfläche des scheibenförmigen Halbleiterkörpers miteinander verbunden. Die Zonen 12 und 16 werden im vorliegenden Fall durch Eindiffusion einer p-Leitung hervorrufenden Verunreinigung in einem n-leitenden scheibenförmigen Halbleiterkörper hergestellt. Die Zone 10, die aus rekristallisiertem, halbleitendem η+-Material besteht und an der eine aus dem Eutektikum bestehende Elektrode 18 anlegiert ist, wird durch Anlegieren einer mit Donatoratomen verunreinigten Folie an die Oberfläche der benachbarten Zone 12 gebildet. Während desselben Legierungsvorganges wird eine Ronde an die Zone 12 unter Ausbildung einer mit einer aus dem Eutektikum bestehenden sperrfreien Elektrode 20 versehenen ρ+-leitenden Rekristallisationszone 19 anlegiert. Außerdem wird eine sperrfreie Elektrode an der Zone 16 durch Anlegieren einer mit Akzeptoratomen verunreinigten Folie hergestellt. Man erhält eine p+-leitende Rekristallisationszone 22, die mit einer aus dem Eutektikum bestehenden Elektrode 23 versehen ist. Mit der Elektrode 23 ist ein Wärme und elektrischen Strom gut leitenden Trägerkörper 25 verbunden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient etwa gleich groß dem des Halbleitermaterials ist.
Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung sind
aus nahezu einkristallinen, ursprünglich n-leitenden Siliziumkörpern mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 20 Ohm cm Halbleiterschaltelemente hergestellt worden. Die p-leitenden Zonen 12 und 16 werden in zwei Diffusionsschritten hergestellt. Zuerst wird Aluminium eindiffundiert, um einen flachen Konzentrationsgradienten der Verunreinigungsatome an den pn-Übergängen 13 und 15 zu erhalten. Sodann wird eine Galliumdiffusion vorgenommen, um eine Oberflächenkonzentration von etwa 2 ■ 1017 Verunreinigungsatomen pro Kubikzentimeter zu bekommen. Die ursprüngliche Dicke des n-leitenden HaIbleiterkörpers beträgt etwa 250 μ und die Tiefe der Diffusionszone etwa 70 μ. Zur Herstellung der Emitterzone 10 wird eine Goldfolie mit etwa 0,5 Gewichtsprozent Antimongehalt benutzt. Die Steuerelektrode 20 wird aus einer Goldronde mit etwa 0,2 Gewichtsprozent Borgehalt hergestellt. Die Elektrode 23 wird aus einer Aluminiumfolie gebildet. Die anzulegierenden Folien und der mit einer Diffusionszone versehene Halbleiterkörper werden auf dem Trägerkörper 25 aus Molybdän übereinander gestapelt und ungefähr 10 Minuten lang auf eine Temperatur von etwa 700° C erhitzt.
Die Folien bilden Rekristallisationszonen 10, 19 und 22 mit jeweils aus dem Eutektikum bestehenden Elektroden 18, 20 und 23 aus. Die aus einem AIuminiumeutektikum bestehende Elektrode 23 ist mit dem Trägerkörper 25 aus Molybdän verwachsen. Der Trägerkörper 25 kann auch aus einem anderen Metall bestehen, das einen ähnlichen Wärmeaus-
dehnungskoeffizienten hat wie das Halbleitermaterial. Für Silizium kommen außer Molybdän noch Wolfram und Legierungen dieser beiden Metalle in Frage.
Wie schon erwähnt, ist bisher in Elementen nach F i g. 1 der Emitter mit Hilfe einer Folie kurzgeschlossen worden, die um den äußeren Umfang der Elektrode 18 herum aufgelegt und gleichzeitig an der p-leitenden Zone 12 mitanlegiert worden war. Im
Zur Tauchplattierung mit Gold wird das Halbleiterschaltelement zunächst etwa 15 Minuten lang zur Reinigung in ein Ätzmittel von Zimmertemperatur getan, das z. B. 50 Volumprozent Salzsäure enthält.
Andere bekannte Ätzmittel, die z. B. Zyankali enthalten können, können ebenfalls zu diesem Zweck verwendet werden. Sodann wird das Halbleiterschaltelement etwa 5 Minuten lang in ein Nickelbad
bei einlegierten Kurzschlüssen auftreten. Das oben beschriebene Verfahren kann je nach dem Plattierungsverfahren abgeändert werden.
F i g. 3 zeigt das Halbleiterschaltelement, nachdem das Material unter der Mantelfläche des Halbleiterkörpers beispielsweise durch Sandblasen, Abschleifen oder andere Behandlungen entfernt worden ist. Durch die Entfernung des Materials unter der Man-
Verlauf des Legierungsvorganges flössen die Ma- io von etwa 93° C getaucht, wie es bei der Plattierung terialien der Folie und der Elektrode 18 unter Her- von Silizium mit Gold üblich ist. Anschließend wird stellung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen das Element in destilliertem Wasser von Zimmerder Elektrode 18 und der p-leitenden Zone 12 zusam- temperatur gespült und etwa 3 Minuten lang in ein men. Als Folge des Legierungsvorganges bildete sich Goldbad getaucht. Nach dem Plattieren wird das EIeam äußeren Umfang des pn-Überganges am Emitter 15 ment wieder in destilliertem Wasser gespült und an eine p+-leitende Rekristallisationszone aus, deren Luft oder im Vakuum bei Zimmertemperatur ge-Tiefe beträchtlich schwanken kann, da die Lage der trocknet. Das getrocknete Element wird sodann etwa um die Emitterelektrode herum anlegierten Folie 30 Minuten lang auf eine Temperatur von 300° C nicht genau genug überwacht werden konnte. Da- in Luft erhitzt, um das abgelagerte Metall zu sintern durch ergab sich nur ein ungleichmäßig verteilter 20 und eine zusammenhängende Schicht auszubilden, Kurzschluß längs des Umfanges des pn-Überganges. die auf dem Halbleiterschaltelement haftet.
F i g. 2 erklärt ein verbessertes Verfahren zum Das abgelagerte Metall wird jedoch nicht so hoch
Herstellen eines Halbleiterschaltelements mit kurz- erhitzt, daß eine Legierung mit dem Halbleitermageschlossenem Emitter gemäß der Erfindung. Das terial eintritt. Es bildet sich daher am Umfang des Halbleiterschaltelement nach F i g. 2 entspricht dem 25 pn-Überganges am Emitter keine Rekristallisationsnach Fig. 1, es ist mit den gleichen Bezugszeichen zone aus, die die Probleme mit sich bringen würde, versehen. Zusätzlich sind die Steuerelektrode 20 und
der innere Umfang des pn-Überganges 11 am Emitter
mit einer Maske 30 bedeckt. Diese Maske 30 kann
aus einem inerten Material bestehen, das am Halb- 30
leiterschaltelement haftet und von diesem Metallionen abhält, die sonst während der nachfolgenden
Verfahrensschritte auf dem Element abgelagert werden wurden. Ein geeignetes Material für die Maske
30 ist Wachs und Paraffin, oder eine Aufschwem- 35 telfiäche des Halbleiterkörpers sind die Zonen 12 und mung in einem organischen Lösungsmittel. 16 und die pn-Übergänge 13 und 15 voneinander
Handelt es sich nur um ein Element mit zwei getrennt worden, so daß jetzt tatsächlich ein HaIb-Elektroden, d. h., wenn die Steuerelektrode 20 fehlt leiterschaltelement mit vier übereinandergeschich- und die Emitterzone 10 sowie die Elektrode 18 zu- teten Zonen abwechselnden Leitungstyps vorliegt. Bei sammenhängend sind, ist zur Herstellung eines kurz- 40 der Entfernung des Materials unter der Mantelfläche geschlossenen Emitters eine Maske 30 nicht erforder- des Halbleiterkörpers ist auch die Goldplattierung 32 lieh. auf der Mantelfläche abgetragen worden. An den
Das Element nach F i g. 2 weist weiterhin eine zu- übrigen Stellen des Schaltelements ist sie jedoch beisammenhängende Haftschicht 32 auf seiner Außen- behalten worden, insbesondere auch auf dem Trägerfläche auf. Diese Schicht besteht aus einem Metall, 45 körper 25. Schließlich werden die nunmehr frei liedas nicht von den Ätzmitteln angegriffen wird, mit geriden Halbleiterflächen des Halbleiterschaltelements denen das Halbleitermaterial behandelt wird. Geeignet sind Gold und Silber sowie die Metalle der
Platingruppe des Periodensystems der Elemente. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Gold. 50
Das Gold oder andere Edelmetalle können durch
verschiedene bekannte Verfahren, z. B. durch Plattieren oder Aufdampfen auf das Halbleiterschaltelement aufgetragen werden. Besonders geeignet ist
die Tauchplattierung mit Gold in einem Goldbad, 55 Halterung aus inerten Material angeordnet war. Dadas von der USA.-Firma Engelhard Industries unter durch hatten sich Unebenheiten auf der unteren
Flachseite des Trägerkörpers 25 ergeben, die den durch Anpressen auf die Halterung hergestellten, Wärme und elektrischen Strom leitenden Kontakt verschlechterten. Außerdem verhindert die Metallschicht 32, das Metallteilchen vom Trägerkörper 25 im Ätzmittel gelöst und zu den frei liegenden pn-Übergängen 13 und 15 transportiert werden.
Die frei liegende Oberfläche des Halbleiterschaltdie Ablagerung des Metalls werden verschiedene, 65 elements wird schließlich mit einer Schutzhülle 33, an sich bekannte Reinigungs- und Sinterverfahren z.B. aus Siliconharz, bedeckt. Die Schutzhülle33
nochmals in einer Ätzlösung, die z. B. aus zwei Teilen Salpetersäure, einem Teil Flußsäure und einem Teil Essigsäure bestehen kann, gereinigt.
Die Goldplattierung 32 schützt auch die einzelnen Teile des Halbleiterschaltelements vor dem Angriff des Ätzmittels. So hat es sich bisher immer herausgestellt, daß der Trägerkörper 25 aus Molybdän von Säuren angegriffen wurde, auch wenn er in einer
dem Namen »Atomex« vertrieben wird. Auch andere geeignete Plattierungsbäder zur Ablagerung einer Edelmetallschicht auf Halbleiterkörpern, z. B. aus Silizium, sind anwendbar.
Vor der Ablagerung des Goldes, z. B. durch Plattieren, muß die Oberfläche des Elements in geeigneter Weise vorbereitet werden, so daß das abgelagerte Metall an ihr haften kann. Im Anschluß an
angewendet. Nachfolgend wird ein Beispiel beschrieben, wie diese Verfahren angewendet werden können.
kann auch aus Siliziumdioxyd bestehen. Das nunmehr fertiggestellte Halbleiterschaltelement kann in bereits
vorgeschlagener Weise in einem Gehäuse durch unter Druck stehende Kontakte lotfrei kontaktiert und gekapselt werden.
Erfindungsgemäß hergestellte Halbleiterschaltelemente besitzen eine verbesserte Temperaturstabilität. So besaßen z. B. Halbleiterschaltelemente ohne durch Plattieren hergestellten Kurzschluß eine Kippspannung von 1000 Volt bei Zimmertemperatur und von 0 Volt bei 125° C. Nachdem sie mit einer Goldplattierung gemäß der Erfindung überzogen worden waren, zeigten dieselben Halbleiterschaltelemente von etwa 800 Volt bei 125° C. Diese Verbesserung der Temperaturstabilität der Kippspannung wurde ohne Beeinträchtigung anderer Eigenschaften des Halbleiterschaltelements erreicht. So haben sich z. B. die Sperrspannung und der Sperrstrom des Halbleiterschaltelements bei Zimmertemperatur oder erhöhten Temperaturen als im wesentlichen konstant erwiesen. Der Zündstrom, der auf den Steuerkontakt gegeben wird, um das Halbleiterschaltelement zu schalten, wie auch die Durchlaßspannung blieben im wesentlichen unverändert. Das ist von sehr großer Bedeutung, da es bisher schwierig war, Halbleiterschaltelemente herzustellen, die gute Kippeigenschaften und gleichzeitig empfindliche Steuereigenschäften (niedrigen Zündstrom) besaßen.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Halbleiterschaltelement, bestehend aus einem scheibenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Germanium oder Silizium, mit vier übereinandergeschichteten Zonen abwechselnden Leitungstyps, an dessen einer Flachseite eine Metallfolie unter Ausbildung einer mit einer Elektrode versehenen Rekristallisationszone, welche eine dieser vier Zonen darstellt, anlegiert ist, mit einem auf der gleichen Flachseite des Halbleiterkörpers befindlichen, wenigstens teilweise an der Oberfläche des Halbleiterkörpers elektrisch kurzgeschlossenen pn-übergang zwischen der Rekristallisationszone und der ihr benachbarten Zone sowie mit einer weiteren Elektrode auf der anderen Flachseite des Halbleiterkörpers, an der ein Trägerkörper aus einem elektrischen Strom und Wärme gut leitenden, bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Halbleiterkörper angepaßten Metall anlegiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Oberfläche der Elektrode und die Oberfläche des Halbleiterkörpers am pn-Ubergang zwischen der Rekristallisationszone und der ihr benachbarten Zone auf der einen Flachseite als auch die Oberfläche des an der Elektrode auf der anderen Flachseite anlegierten Trägerkörpers mit einer Haftschicht aus gegen Ätzmittel widerstandsfähigem Metall bedeckt ist.
2. Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht aus einem der Metalle Gold oder Silber oder aus einem Metall der Platingruppe des Periodensystems der Elemente besteht.
3. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterschaltelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht nach dem Anbringen der Elektroden und des Trägerkörpers am Halbleiterkörper zunächst auf der gesamten Oberfläche des Halbleiterschaltelements, gegebenenfalls mit Ausnahme eines Bereichs zwischen der auf der einen Flachseite anlegierten Elektrode und einer auf der gleichen Flachseite befindlichen Zusatzelektrode, durch Tauchplattierung oder Aufdampfen abgelagert und anschließend von der Mantelfläche des Halbleiterkörpers mechanisch abgetragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht von der Mantelfläche des Halbleiterkörpers durch Sandstrahlen oder Abschleifen abgetragen wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1117 773,
038,1154 872;
USA.-Patentschrift Nr. 2 980 832.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 617/432 9.68 φ Bundesdruckerei Berlin
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT376844B (de) * 1972-12-29 1985-01-10 Sony Corp Halbleiterbauteil

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3422323A (en) * 1966-03-18 1969-01-14 Mallory & Co Inc P R Five-layer light-actuated semiconductor device having bevelled sides
CH436494A (de) * 1966-04-22 1967-05-31 Bbc Brown Boveri & Cie Steuerbares Halbleiterventil
CH444975A (de) * 1966-09-27 1967-10-15 Bbc Brown Boveri & Cie Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes mit pnpn-Struktur mit Kurzschlüssen in der Emitterzone
US3504241A (en) * 1967-03-06 1970-03-31 Anatoly Nikolaevich Dumanevich Semiconductor bidirectional switch
US3476992A (en) * 1967-12-26 1969-11-04 Westinghouse Electric Corp Geometry of shorted-cathode-emitter for low and high power thyristor
US3643136A (en) * 1970-05-22 1972-02-15 Gen Electric Glass passivated double beveled semiconductor device with partially spaced preform
US4059708A (en) * 1976-07-30 1977-11-22 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Method for selective encapsulation
US4292646A (en) * 1977-01-07 1981-09-29 Rca Corporation Semiconductor thyristor device having integral ballast means
DE59209470D1 (de) * 1991-06-24 1998-10-01 Siemens Ag Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2980832A (en) * 1959-06-10 1961-04-18 Westinghouse Electric Corp High current npnp switch
DE1117773B (de) * 1958-08-08 1961-11-23 Siemens Ag Verfahren zur Befestigung von elektrischen Leitungsanschluessen an Legierungselektroden in einkristallinen Halbleiterkoerpern
DE1133038B (de) * 1960-05-10 1962-07-12 Siemens Ag Halbleiterbauelement mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkoerper undvier Zonen abwechselnden Leitfaehigkeitstyps
DE1154872B (de) * 1959-09-08 1963-09-26 Gen Electric Halbleiterbauelement mit einem mindestens drei pn-UEbergaenge aufweisenden Halbleiterkoerper

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL129185C (de) * 1960-06-10
US3124703A (en) * 1960-06-13 1964-03-10 Figure
US3090873A (en) * 1960-06-21 1963-05-21 Bell Telephone Labor Inc Integrated semiconductor switching device
FR84004E (fr) * 1961-05-09 1964-11-13 Siemens Ag Dispositif semi-conducteur
GB942901A (en) * 1961-08-29 1963-11-27 Ass Elect Ind Improvements in controlled semi-conductor rectifiers
DE1206090B (de) * 1962-04-16 1965-12-02 Telefunken Patent Verfahren zum AEtzen eines Mesatransistors
NL293525A (de) * 1962-06-01
NL296608A (de) * 1962-08-15

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1117773B (de) * 1958-08-08 1961-11-23 Siemens Ag Verfahren zur Befestigung von elektrischen Leitungsanschluessen an Legierungselektroden in einkristallinen Halbleiterkoerpern
US2980832A (en) * 1959-06-10 1961-04-18 Westinghouse Electric Corp High current npnp switch
DE1154872B (de) * 1959-09-08 1963-09-26 Gen Electric Halbleiterbauelement mit einem mindestens drei pn-UEbergaenge aufweisenden Halbleiterkoerper
DE1133038B (de) * 1960-05-10 1962-07-12 Siemens Ag Halbleiterbauelement mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkoerper undvier Zonen abwechselnden Leitfaehigkeitstyps

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT376844B (de) * 1972-12-29 1985-01-10 Sony Corp Halbleiterbauteil

Also Published As

Publication number Publication date
GB1088637A (en) 1967-10-25
US3343048A (en) 1967-09-19
BE659928A (de) 1965-06-16

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