DE1297234B - Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelementes eines stossspannungsfesten Halbleitergleichrichters - Google Patents
Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelementes eines stossspannungsfesten HalbleitergleichrichtersInfo
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Description
Maßnahmen der Halbleitertechnologie, die bei der 15 spannungsfesten Halbleitergleichrichtern mit p-i-n-Herstellung
von solchen Halbleiterelementen häufig Struktur.
benutzt werden, sind die Herstellung von sogenann- Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch
ten »ohmschen Kontakten«, z. B. bekannt aus dem gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der HaIb-Buch
von L. P. Hunter, »Handbook of Semi- leiterscheibe ΙΟ13 bis ΙΟ16Dotierungsatome/cm3 und
conductor Electronics«, 1956 (Kapitel 8, S. 13, Ab- 20 die Diffusionszone ebenfalls weniger als 1016 Dotieschnitt
8.6), bei denen zur Formung von Elektroden rungsatome/cm3 enthalten, während der Dotierungsan
den Halbleiterkörpern Metallfolien, die geeignete gradient des entstandenen p-n-Überganges weniger
Dotierungsmaterialien enthalten, anlegiert werden, als 1014 Atome/cm3^m beträgt, daß an die n-leitende
um so das Auftreten von unerwünschten p-n-Uber- Zone der mit dem diffundierten p-n-Übergang vergangen
an den Elektroden zu verhindern, sowie das 25 sehenen Halbleiterscheibe, zur Bildung einer hoch-Vorsehen
einer Trägerplatte für die Halbleiterscheibe dotierten n+-Zone mit einer Dotierungskonzentration
von mehr als 1016 Donatoratome/cm3, eine eine Donatorsubstanz enthaltende Metallscheibe, die
p-leitende Zone zur Bildung einer hochdotierten 30 p+-Zone mit einer Konzentration von mehr als
1016 Akzeptoratome/cm3, eine eine Akzeptorsubstanz enthaltende Metallscheibe anlegiert werden, wobei
die Dicken der schwachdotierten Zonen so groß gewählt werden, daß im Betrieb an den p+-p- und
stattfindet. Die dadurch auftretende Überhitzung 35 n-n+-Übergängen bei einem Lawinendurchbruch die
führt zu einem örtlichen Schmelzen des Halbleiter- elektrische Feldstärke kleiner als 1 kV/cm und der
materials, wodurch seine Sperreigenschaft verschlech- Dotierungsgradient an ihnen größer als 1017 Atome/
tert wird oder ganz verlorengehen kann. Es sind αη3/μΐη ist, und daß eine Trägerplatte aus einem
nun sogenannte stoßspannungsfeste Halbleiterventüe Metall mit im wesentlichen gleichen thermischen
bekanntgeworden, die den genannten Nachteil nicht 40 Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial
aufweisen. Ein derartiges Halbleiterventil kann z. B. an jene Metallscheibe angelötet wird, die an die einmit
Hilfe einer p+-i-n+-Struktur erreicht werden. diffundierte Zone anlegiert ist.
Dabei bedeuten p+ und n+ hochdotierte Halbleiter- Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die
Dabei bedeuten p+ und n+ hochdotierte Halbleiter- Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die
zonen mit mehr als 1016 Dotierungsatome/cm3 und i Sperreigenschaften, die durch den p-n-Übergang
eine hochohmige oder sehr schwachdotierte Zone mit 45 definiert werden, von den Injektionseigenschaften,
weniger als 1013 Dotierungsatome/cm3. die durch die p+-p- bzw. n+-n-Übergänge bedingt
Da die Durchbruchspannung bei dieser Anordnung werden, unabhängig voneinander am günstigsten einpraktisch
nur von der Dicke der i-Zone abhängt, gestellt werden können. Um die vorteilhaften Eigenmuß
diese Dicke über die ganze Fläche des Ventils schäften zu erreichen, ist es notwendig, daß die
eine sehr hohe Konstanz haben, wenn man erreichen 50 Dicken der schwachdotierten Zonen η bzw. ρ so
will, daß sich der Durchbruchstrom möglichst gleich- groß gewählt werden, daß bei einem Lawinendurchmäßig
über die ganze Fläche verteilt. Eine derartige bruch die elektrische Feldstärke an den p+-p+-n-n+-
hohe Konstanz der Dicke läßt sich aber nur mit Übergängen den Wert von 1 kV/cm nicht übersteigt,
großen technologischen Schwierigkeiten realisieren Durch die Dicke der schwachdotierten Zonen n+, p+
und das nur für Ventile mit relativ kleinen Flächen, 55 wird überdies erreicht, daß der Dotierungsz.
B. kleiner als 10 mm2. gradient am p-n-Übergang relativ klein (kleiner als
Die Erfahrung hat überdies gezeigt, daß bei stoß- 1014 Atome/cm3^m) ist, was einerseits günstig für
spannungsfesten Halbleiterventilen dieses Typs eine die Sperreigenschaften ist und überdies eine relativ
unerwünschte Veränderung ihrer Sperreigenschaften breite Spitze des Feldstärkenprofils zur Folge hat,
mit fortschreitender Betriebszeit auftritt, die sich be- 60 was sich in einer Einleitung des Lawinendurchbruchs
sonders in einer Erhöhung des Stromes in Sperrich- über eine relativ breite Zone auswirkt. Dadurch er-
aus einem Material mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial;
diese Maßnahme ist z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1 018 557 bekannt.
Die üblichen Halbleitergleichrichterelemente haben den Nachteil, daß beim Auftreten von Stoßspannungen
in Sperrichtung ein Lawinendurchbruch oft bevorzugt an den Rändern der Halbleiterscheibe
tung auswirkt. Diese Halbleiterventile können außerdem nur relativ geringen Überlastungen ausgesetzt
werden, ohne daß sie ihre Gleichrichtereigenschaften verlieren.
Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines stoßspannungsfesten Halbleitergleichrichters,
welcher unter Verwendung einer Reihe
gibt sich aber die hohe Belastbarkeit in Sperrichtung.
Da der p-n-Übergang durch tiefe Diffusion hergestellt
ist, ist er auch geometrisch sehr genau definiert, da
sich die vor der Diffusion bestehenden Oberflächenfehler des Kristalls nicht mehr so stark auswirken.
Da der p-n-Übergang durch tiefe Diffusion hergestellt
ist, ist er auch geometrisch sehr genau definiert, da
sich die vor der Diffusion bestehenden Oberflächenfehler des Kristalls nicht mehr so stark auswirken.
Die Erfindung wird an Hand der Figuren beispielsweise erläutert: Bei dem nachstehend beschriebenen
Beispiel geht man von einer schwach dotierten Siliziumscheibe 1 vom η Leitungstyp mit einer Dicke von
etwa 300 μΐη aus. Die Dotierung des Siliziums kann
dabei zwischen 1013 bis 1016 Donatoratome/cm3 betragen.
Zur Bildung eines p-n-Uberganges in der Siliziumscheibe 1 wird Aluminium bei etwa 1300° C
auf an sich bekannte Weise eindiffundiert, so daß, wie in F i g. 1 angedeutet, in der Siliziumscheibe eine
oberflächige, schwach dotierte Zone vom ρ Leitungstyp mit einer Dicke von etwa 80 μπι und einer Dotie-
rung von weniger als 10ie Akzeptoratome entsteht.
Diese Zone vom ρ Leitungstyp wird danach von einer der Stirnflächen und von den Seitenflächen
z.B. durch Läppen abgetragen. Fig. 2 zeigt die so entstandene Siliziumscheibe mit p-n-Übergang.
Zur Bildung einer hochdotierten η+-Zone auf der
schwachdotierten Zone vom η Leitungstyp und einer hochdotierten p+-Zone auf der schwachdotierten
Zone vom ρ Leitungstyp wird in zwei weiteren Verfahrensschritten das Legierungsverfahren benutzt,
welches an Hand der F i g. 3 bis 5 illustriert wird.
F i g. 3 zeigt die Siliziumscheibe 1 mit dem n-p-Übergang, die zusammen mit einer Scheibe 2 aus
einer Gold-Antimon-Legierung für einige Minuten auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die flüssig
gewordene Legierung eine bestimmte Menge Silizium ablöst. Die Menge des gelösten Siliziums hängt dabei
von der Temperatur und der Menge der aufgebrachten Legierung ab. Beim Abkühlen wird das gelöste
Silizium wieder abgeschieden und scheidet sich im wesentlichen wieder einkristallin auf der Siliziumscheibe
1 ab. Entsprechend ihrer Löslichkeit im festen Silizium bleiben gewisse Mengen der Legierungskomponenten
in der Rekristallisationszone eingebaut. F i g. 4 zeigt das System nach erfolgter Abkühlung.
Da die Löslichkeit von Gold im festen Silizium zu vernachlässigen ist, bleibt praktisch nur
eine gut definierte Menge Antimon als Donatorsubstanz in der Rekristallisationszone zurück, die auf
diese Weise eine hochdotierte η+-Zone mit mehr als 101β Donatoratome/cm3 bildet.
Durch ein auf analoge Weise erfolgtes Anlegieren einer Aluminiumscheibe 3 bildet man eine hochdotierte
p+-Zone mit mehr als 1016 Akzeptoratome/ cm3 in Form einer Rekristallisationszone in der Aluminium
als Akzeptorsubstanz zurückbleibt. F i g. 5 zeigt das Zwischenprodukt nach den beiden Legierungsprozessen.
Danach wird das Halbleiterbauelement auf an sich bekannte Weise vervollständigt. F i g. 6 zeigt die
Randzone des fertigen Halbleiterelements im Schnitt. Auf die Aluminiumscheibe 3 des in F i g. 5 illustrierten
Zwischenprodukts wird eine Trägerplatte 4 aus Molybdän aufgelötet, die zur mechanischen Verstärkung
des Halbleiterkörpers dient. Statt Molybdän kann auch Wolfram als Material für die Trägerplatte
verwendet werden. Zur Verlängerung des Kriechweges an der Randzone der Halbleiterscheibe wird
schließlich durch mechanische Bearbeitung eine Fläche 5 in Form eines Kegelstumpfmantels ausgebildet,
die an alle Zonen des Halbleitermaterials anschließt. Diese mechanische Bearbeitung geschieht
vorzugsweise mit Hilfe von Ultraschall. Bei der Ausbildung der Fläche 5 entsteht überdies eine ringförmige
Zone 6, die eine erhöhte mechanische Festigkeit der Randzone 7 gewährleistet.
In einer zweiten Variante des Herstellungsverfahrens geht man von einer Halbleiterscheibe vom
ρ Leitungstyp aus, wonach die Zone vom η Leitungstyp durch Eindiffundieren von Donatorsubstanz gebildet
wird. Die übrigen Verfahrensschritte ergeben sich auf analoge Weise.
Die derart gebildete p+-p-n-n+-Struktur weist mehrere Vorteile auf. Die beiden Übergänge p+-p und
n-n+ sind für die Leitungsfunktion maßgeblich. Sie besitzen auf Grund des Legierungsverfahrens einen
großen Dotierungsgradienten von mehr als 1017 Dotierungsatome/cm3^m,
was zu einer guten Injektion von Minoritätsträgern führt.
Der p-n-Übergang der Struktur dient der Sperrfunktion. Auf Grund des angewandten Diffusionsverfahrens ist hier der Dotierungsgradient kleiner als
1014 Dotierungsatome/cms^m, wodurch eine gute
Sperreigenschaft gewährleistet wird.
Die durch das Dotierungsprofil bestimmte Raumladungsverteilung erzeugt ein elektrisches Feld, dessen
Feldstärke am p-n-Übergang ein Maximum aufweist. Wegen des relativ kleinen Dotierungsgradienten
ändert sich die elektrische Feldstärke in der Nähe ihres Maximums nur relativ wenig. Dies hat zur
Folge, daß bei einem Lawinendurchbruch die Verlustleistung in einer relativ breiten, den p-n-Übergang
einschließenden Zone aufgenommen wird.
Das Diffusionsverfahren gewährleistet überdies ein über die Halbleiterfläche gleichmäßig gut definiertes
Dotierungsprofil, was zu einer gleichmäßigen Verteilung der Verlustleistung über gesamte Halbleiterfläche
führt.
Diese Eigenschaften des p-n-Überganges haben zur Folge, daß bei gegebener zulässiger Verlustleistungsdichte
das Halbleiterelement eine Verlustleistung in Sperrichtung aufnehmen kann, die mindestens so
groß ist als die Verlustleistung in Durchlaßrichtung.
Um jeden Einfluß der p+-p- und n-n+-Übergänge auf die Einleitung des Lawinendurchbruchs zu vermeiden,
darf die elektrische Feldstärke an diesen Übergängen den Wert von 1 kV/cm nicht übersteigen.
Um dies zu erreichen, genügt es, die Dicke der schwachdotierten Zonen genügend groß zu wählen.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung eines stoßspannungsfesten Halbleitergleichrichters, bei dem in
eine Scheibe aus schwach dotiertem Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps zur Bildung
einer Oberflächenzone mit einem zweiten, vom ersten verschiedenen Leitungstyp Dotierungssubstanz eindiffundiert wird, und diese oberflächige Diffusionszone von den Seitenflächen
und einer Stirnfläche der Scheibe entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das
Grundmaterial der Halbleiterscheibe (1) 1013 bis 1016 Dotierungsatome/cm3 und die Diffusionszone ebenfalls weniger als 1016 Dotierungsatome/
cm3 enthalten, während der Dotierungsgradient des entstandenen p-n-Überganges weniger als
1014 Atome/cm3^m beträgt, daß an die n-leitende
Zone der mit dem diffudierten p-n-Übergang versehenen Halbleiterscheibe (1) zur Bildung einer
hochdotierten n+-Zone mit einer Dotierungskonzentration von mehr als 101β Donatoratome/cm3
eine eine Donatorsubstanz enthaltende Metallscheibe (2) und an die p-leitende Zone zur Bildung
einer hochdotierten ρ+-Zone mit einer Konzentration von mehr als 1016 Akzeptoratome/cm3
eine eine Akzeptorsubstanz enthaltende Metall-
scheibe (3) anlegiert werden, wobei die Dicken der schwachdotierten Zonen so groß gewählt werden,
daß im Betrieb an den p+-p- und n~n+-
Übergängen bei einem Lawinendurchbruch die elektrische Feldstärke kleiner als 1 kV/cm und
der Dotierungsgradient an ihnen größer als 1017 Atome/cm3/V.m ist, und daß eine Trägerplatte
(4) aus einem Metall mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
wie das Halbleitermaterial an jene Metallscheibe angelötet wird, die an die eindiffundierte Zone
anlegiert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abtragung von Halbleitermaterial,
insbesondere mit Hilfe von Ultraschall, zur BiI-dung einer an alle Zonen des Halbleitermaterials
angrenzenden Randfläche (5) in Form eines Kegelstumpf mantels, dessen Basis der Trägerplatte
(4) zugewandt ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergleichrichter
einen Halbleiterkörper aus Silizium besitzt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Akzeptorsubstanz enthaltende
Metallscheibe (3) aus Aluminium besteht.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Donatorsubstanz enthaltende
Metallscheibe (2) aus einer Gold-Antimon-Legierung besteht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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