DE1439215C3

DE1439215C3 - Power semiconductor component

Info

Publication number: DE1439215C3
Application number: DE19631439215
Authority: DE
Inventors: Eduard Prof. Zürich Gerecke (Schweiz)
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1962-02-20
Filing date: 1963-02-18
Publication date: 1978-02-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a power semiconductor component according to the preamble of claim 1.

Ein derartiges Element ist bekannt, z. B. aus Proc. IRE (1956), S. 1174 bis 1182, oder auch Trans. AIEE. Mai 1959, S. 102 bis 106. Es zeichnet sich dadurch aus, daß die beiden pn-Übergänge in entgegengesetzten Richtungen sperren, durch geeignete Maßnahmen jedoch zum Durchbruch gebracht werden können. Es können auf diese Weise p-n-p-n-Elemente, insbesondere Thyristoren, hergestellt werden, die große Bedeutung in der Leistungselektronik besitzen.Such an element is known, e.g. B. from Proc. IRISHMAN (1956), pp. 1174 to 1182, or also Trans. AIEE. May 1959, pp. 102 to 106. It is characterized in that the block both pn junctions in opposite directions, but by taking suitable measures to Breakthroughs can be brought about. In this way, p-n-p-n elements, in particular thyristors, which are of great importance in power electronics.

Da die bekannten Elemente hohe Spannungen (z. B. erheblich mehr als 500 V) sperren müssen, ist es wichtig, daß ein etwaiger Durchbruch im Innern des Elementes stattfindet und nicht an der Oberfläche. Das heißt mit anderen Worten, die Oberflächenfeldstärke auf der Mantelfläche des Elementes dort, wo der auf Sperrung beanspruchte pn-Übergang an die Oberfläche tritt, sollte kleiner sein als im Innern des Elementes. Wenn der Durchbruch zuerst im Innern des Elementes stattfindet, so ergibt sich damit nicht nur eine stabilere Strom-Spannungscharakteristik des Elementes, sondern es ist auch die frei werdende Energie besser beherrschbar. Die Oberflächenfeldstärken können bis einige hundert Kilovolt pro cm erreichen.Since the known elements have to block high voltages (e.g. considerably more than 500 V), it is important to that any breakthrough takes place inside the element and not on the surface. That means with In other words, the surface field strength on the surface of the element where it is blocked The stressed pn junction that occurs on the surface should be smaller than inside the element. When If the breakthrough takes place first in the interior of the element, this not only results in a more stable one Current-voltage characteristics of the element, but the energy released is also better manageable. The surface field strengths can reach several hundred kilovolts per cm.

Es ist bekannt (J. El. Chem. Soc. 107 [I960], Nr. 12, S. 269c), daß bei Hochspannungs-Silizium-Gleichrichtern der Winkel, unter welchem die Raumladung der Sperrschicht an dem in Rückwärtsrichtung belasteten pn-Übergang an die Mantelfläche stößt, den Oberflächendurchbruch beeinflussen kann. Kleine Winkel des pn-Überganges mit der Mantelfläche bewirken höhere Oberflächendurchbruch-Spannungen, da die Durchbruchspannung eines pn-Überganges durch Ausdehnen der Sperrschicht an der Oberfläche auf eine größere Fläche erhöht wird. Auf diese Weise können Elemente mit einem pn-Übergang hergestellt werden, die Rückwärtsspannungen von etwa 3500 V bei weniger als 10 μ Α Sperrstrom ermöglichen.It is known (J. El. Chem. Soc. 107 [1960], No. 12, p. 269c) that in high-voltage silicon rectifiers the angle at which the space charge of the The barrier layer at the reverse-loaded pn junction hits the outer surface, the surface breakthrough can affect. Small angles between the pn junction and the jacket surface result in higher ones Surface breakdown voltages, as the breakdown voltage of a pn junction due to expansion the barrier layer on the surface is increased to a larger area. This way elements With a pn junction, the reverse voltages of about 3500 V at less than Allow 10 μ Α reverse current.

Eine weitere bekannte Tatsache ist (Solid-State Electronics 1 [I960], pp. 107 bis 122, deutsche Patentschrift 10 67 129), daß die Sperrschicht sich bei gegebener Spannung auf der niedriger dotierten Seite des auf Sperrung beanspruchten pn-Öberganges stärkerAnother known fact is (Solid-State Electronics 1 [I960], pp. 107 to 122, German Patent specification 10 67 129) that the barrier layer is on the lower doped side for a given voltage of the pn junction that is claimed to be blocked

ausdehnt als auf der höher dotierten Seite. Diese Tatsache zusammen mit einer Neigung der Mantelfläche, derart, daß zwischen der Mantelfläche auf der niedriger dotierten Seite der pn-Übergangsfläche und der pn-Übergangsfläche ein spitzer Winkel vorhanden ist, verbreitert die Sperrschicht an der Oberfläche beachtlich.extends than on the higher endowed side. This fact together with a slope of the lateral surface, such that between the surface area on the lower doped side of the pn junction area and If there is an acute angle at the pn junction, the barrier layer on the surface widens considerable.

Aus der AU-PS 2 44 374 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, welches einen pn-übergang mit zwei angrenzenden, in gleicher Konzentration dotierten Zonen oder eine pin-Zonenfolge aufweist, und dessen Mantelfläche zwecks Herabsetzung der Oberflächensperrströme derart angeschrägt ist, daß der Querschnitt von der nzur p-dotierten Zone hin abnimmt. Als bevorzugter Anschrägungswinkelbereich wird der Bereich 1° ... 5° angegeben. Als Oberflächenbelag wird Glas, unter anderem Quarz, empfohlen. Hinsichtlich der Herstellung wird auf Bell System Technical Journal, Vol. 35, 3, May, 1956, verwiesen, wo bevorzugt Dioden der Struktur n⁺ —π—ρ+ beschrieben werden.From AU-PS 2 44 374 a semiconductor component is known which has a pn junction with two adjacent zones doped in the same concentration or a pin zone sequence, and the outer surface of which is beveled in order to reduce the surface blocking currents that the cross section of the n decreases towards the p-doped zone. The range 1 ° ... 5 ° is specified as the preferred bevel angle range. Glass, including quartz, is recommended as a surface covering. With regard to the production, reference is made to Bell System Technical Journal, Vol. 35, 3, May, 1956, where diodes of the structure n ⁺ -π-ρ + are preferably described.

In der Literatur sind weitere Halbleiterbauelemente beschrieben worden, welche eine Abschrägung aufweisen, um die durch die Sperrschicht bewirkte Kapazität zu verringern. In der USA.-Patentschrift 29 93 155 wird eine im Sperrgebiet verwendete Diode beschrieben, deren eine Elektrode bedeutend kleiner als die andere ausgebildet ist, wodurch die Kapazität mit zunehmender Sperrspannung besonders stark sinkt. Diese Anordnung wird dort als spannungsabhängiger Kondensator bezeichnet. Ihr Anwendungsbereich liegt bei sehr hohen Frequenzen im Gebiete der MHz und GHz und bei kleinen Leistungen von Mikrowatt. Eine ähnlich wirkende Abschrägung eines Halbleiterbauelements mit Kollektorelektrode ist in der deutschen Auslegeschrift 10 94 886 dargestellt. Dort ist zwischen dem Kollektor und der Basis des gezeichneten Transistors eine breite eigenleitende Schicht vorgesehen, deren Rand leicht abgeschrägt ist. Die geringe Dotierung bewirkt eine große Breite der Sperrschicht, also eine kleine Kapazität, die durch die Abschrägjng weiterhin verringert wird. Der Anwendungsbereich liegt auch hier bei sehr hohen Frequenzen. Bei Leistungshalbleiterbauelementen mit vorzugsweise über 500 Volt liegenden Sperrspannungen an den Sperrschichten spielen jedoch die Kapazitäten dieser Sperrschichten gar keine Rolle, dagegen treten an der Oberfläche der Sperrschicht sehr hohe elektrische Feldstärken auf, die zur Zerstörung führen können.In the literature, further semiconductor components have been described which have a bevel, to reduce the capacitance created by the barrier layer. In the USA. Patent 29 93 155 is described a diode used in the blocking area, one electrode of which is significantly smaller than the other is formed, whereby the capacitance drops particularly sharply with increasing reverse voltage. This arrangement is referred to there as a voltage-dependent capacitor. Their scope is very high Frequencies in the MHz and GHz range and with small powers of microwatts. A similar one effective bevel of a semiconductor component with collector electrode is in the German Auslegeschrift 10 94 886 shown. There is a wide one between the collector and the base of the transistor shown Intrinsic layer provided, the edge of which is slightly beveled. The low doping causes a large width of the barrier layer, i.e. a small capacitance that continues due to the bevel is decreased. The area of application here is also at very high frequencies. For power semiconductor components play with blocking voltages preferably above 500 volts on the blocking layers However, the capacities of these barriers do not matter, however, occur at the surface of the barrier very high electric field strengths, which can lead to destruction.

Der angegebene Stand der Technik gibt keinen Hinweis darauf, welchen Einfluß bei einem Leistungshalbleiterbauelement der eingangs genannten Art Abschrägungen der Mantelfläche der niedriger dotierten Zone auf die Oberflächenfeldstärke haben.The stated prior art gives no indication of the influence on a power semiconductor component of the type mentioned bevels of the lateral surface of the lower doped Zone on the surface field strength.

Es ist daher die Aufgabe dieser Erfindung, die Oberflächenfeldstärke eines auf Sperrung beanspruchten Leistungshalbleiterbauelementes dieser Art durch eine geeignete geometrische Formgebung zu vermindern, um höhere Spannungen für den Oberflächendurchbruch zu erreichen.It is therefore the object of this invention to determine the surface field strength of a claimed lock To reduce power semiconductor components of this type by a suitable geometric shape, to achieve higher stresses for the surface breakthrough.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Diese Kerbe kann, wie weiter unten noch näher erläutert wird, verschiedenartig gestaltet sein und die pn-Übergänge selbst erfassen oder auch nicht.This notch can, as will be explained in more detail below, be designed in various ways and the Detect pn junctions themselves or not.

Es ist von großer Wichtigkeit für die Erfindung, daß die Winkel spitze Winkel sind. Würde man stumpfe Winkel vorsehen, würde man also die Abschrägungen der beiden aufeinanderfolgenden Winkel nach außen statt nach innen machen, so träte die Wirkung nach der vorliegenden Erfindung nicht ein, obwohl auch hier die Breite der Sperrschicht an der Oberfläche größer würde und somit eine Verminderung der Oberflächenfeldstärke an der Mantelfläche zu erwarten wäre.It is of great importance to the invention that the angles are acute angles. One would become blunt Provide angles, so one would be the bevels of the two successive angles to the outside instead of turning inwards, the effect according to the present invention would not occur, although here too the Width of the barrier layer on the surface would be larger and thus a reduction in the surface field strength would be expected on the lateral surface.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigtEmbodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings. Included indicates

Fig. 1 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Verhaltens einer Sperrschicht an einem rückwärts belasteten pn-Übergang,Fig. 1 is a representation to illustrate the behavior of a barrier layer on a backward loaded pn junction,

Fig.2 den Verlauf der elektrischen Feldstärke an einem pn-Übergang wie in F i g. 1,2 shows the course of the electric field strength a pn junction as in FIG. 1,

Fig.3 den Querschnitt eines Leistungshalbleiterbauelementes mit dreiecksförmiger Kerbe,3 shows the cross section of a power semiconductor component with triangular notch,

Fig.4 den Querschnitt eines Leistungshalbleiterbauelementes mit konkav geformter Kerbe und abgerundetem Scheitel,4 shows the cross section of a power semiconductor component with a concave notch and rounded apex,

Fig. 5 den Querschnitt eines Leistungshalbleiterbauelementes mit konkav geformter Kerbe und spitzem Scheitel,5 shows the cross section of a power semiconductor component with a concave and pointed notch Parting,

Fig.6 den Querschnitt eines Leistungshalbleiterbauelementes mit konvex geformter Kerbe und spitzem Scheitel,6 shows the cross section of a power semiconductor component with a convex notch and a pointed apex,

F i g. 7 einen Thyristor undF i g. 7 a thyristor and

F i g. 8 und 9 zeigen eine Methode zur Herstellung der Abschrägung mittels eines Strahls.F i g. 8 and 9 show a method of making the bevel by means of a beam.

F i g. 1 zeigt drei verschieden stark dotierte Schichten eines Halbleiterbauelementes. Sie sind mit ρ, ν und η bezeichnet. Der pn-Übergang G befindet sich zwischen der p- und der schwächer dotierten r-Schicht, die entgegengesetzte Leitfähigkeiten aufweisen. In Fig.2 ist der Verlauf der elektrischen Feldstärke E bei auf Sperrung beanspruchtem pn-Übergang in Funktion derF i g. 1 shows three differently heavily doped layers of a semiconductor component. They are denoted by ρ, ν and η. The pn junction G is located between the p- and the more weakly doped r-layer, which have opposite conductivities. In FIG. 2, the course of the electric field strength E when the pn junction is stressed to be blocked is a function of

Richtung Z senkrecht zum pn-Übergang G dargestellt. Bei homogener Dotierung der Schichten und bei abruptem Übergang von der v- zur p-Schicht besteht die die Feldstärke E darstellende Kurve aus einzelnen Geradenstücken. Die maximale Feldstärke E tritt danach immer am pn-Übergang G auf. Ist die Dotierung nicht homogen und verläuft der Übergang der Dotierung an dem pn-Übergang G graduiert, so erhält man Feldstärkekurven wie e\ in B i 1 d 2. Die Feldstärke E im Punkte 1" im Inneren des Elementes und die Oberflächenfeldstärke E, im Punkte 1 auf der Mantelfläche des Elementes sind ungefähr gleich groß und beide maximal. Die Kurven ei, ^, e^ der Feldstärken in F i g. 2 entsprechen verschieden hohen Sperrspannungen. Im Falle e\ hat die positive Raumladungszone der Sperrschicht die Breite w\, die Feldstärke in den Punkten 3" und 3 ist Null, im Punkte 2 ist sie recht klein. Man erkennt daraus, daß die Oberflächenfeldstärke an der Oberfläche des Kristalls in der Höhe des pn-Überganges G am größten ist und mit derDirection Z is shown perpendicular to the pn junction G. With homogeneous doping of the layers and with an abrupt transition from the v- to the p-layer, the curve representing the field strength E consists of individual straight lines. Thereafter, the maximum field strength E always occurs at the pn junction G. If the doping is not homogeneous and the doping transition at the pn junction G is graduated, field strength curves such as e \ in B i 1 d 2 are obtained. The field strength E at point 1 "inside the element and the surface field strength E, im Points 1 on the surface of the element are approximately the same size and both are maximal. The curves ei, ^, e ^ of the field strengths in FIG. 2 correspond to different blocking voltages. In the case of e \ the positive space charge zone of the barrier layer has the width w \ , The field strength in points 3 "and 3 is zero, in point 2 it is quite small. It can be seen from this that the surface field strength at the surface of the crystal is greatest at the level of the pn junction G and with the

Entfernung von dem pn-Übergang bis auf Null abnimmt. Im Falle ei (Fig.2) reicht die Raumladungsschicht gerade über die ganze Breite d der v-Schicht herüber, während im Falle es auch noch in der stärker dotierten n-Zone eine schmale Raumladungsschicht auftritt, die bis zur Linie 5-5" reicht. Nach F i g. 1 tritt also die größte tangentiale Feldstärke E₁ beim Übergang von der Donatoren- zur Akzeptorenschicht auf, d. h. beim pn-Übergang G. Distance from the pn junction decreases to zero. In the case of ei (FIG. 2), the space charge layer extends over the entire width d of the v-layer, while in the case of the more heavily doped n-zone, a narrow space charge layer that extends to the line 5-5 "occurs According to FIG. 1, the greatest tangential field strength E _{1 occurs} at the transition from the donor to the acceptor layer, ie at the pn transition G.

In F i g. 1 sind drei Schichten ρ, ν und η eingezeichnet; statt dessen könnten jedoch auch nur zwei Schichten p—v vorhanden sein. Unter ν wird eine schwach dotierte Schicht mit negativen Majoritätsträgern, unter η eine stärker dotierte Schicht gleichen Leitfähigkeits-In Fig. 1 shows three layers ρ, ν and η ; however, only two layers p-v could be present instead. Below ν is a lightly doped layer with negative majority carriers, below η a more heavily doped layer with the same conductivity

typs verstanden. In ähnlicher Weise soll π eine schwach dotierte p-Schicht, und ρ eine stärker dotierte p-Schicht bedeuten. Bei Mehrschichthalbleitern können nun alle möglichen Kombinationen aus p-, n-, /-, v-, n-Schichten auftreten. Dabei bedeutet /eine eigenleitende (intrinsische) Schicht, welche dem reinen Siliziumkristall entspricht. Im Falle von Fig. 1 ist die v-Schicht schwächer dotiert als die p-Schicht, die Breite w\ der Raumladungszone ist in der v-Schicht daher größer als die Breite w₂ der Raumladungsschicht in der p-Zone. Es könnte auch umgekehrt sein, z. B. bei einem π-π-Übergang. Wenn dabei die Konzentration der Akzeptoren in der π-Schicht kleiner ist als die Konzentration der Donatoren in der n-Schicht, so ist die Raumladungsschicht in der jr-Zone größer als in der n-Zone. Die breitere Raumladungszone tritt also an einem pn-Übergang G in derjenigen Schicht auf, welche eine geringere Dotierung aufweist.type understood. Similarly, π is intended to mean a lightly doped p-layer, and ρ a more heavily doped p-layer. In the case of multilayer semiconductors, all possible combinations of p, n, /, v, n layers can now occur. Here / means an intrinsic layer which corresponds to the pure silicon crystal. In the case of FIG. 1, the v-layer is less doped than the p-layer, the width w \ of the space charge zone in the v-layer is therefore greater than the width w _{2 of} the space charge layer in the p-zone. It could also be the other way around, e.g. B. at a π-π transition. If the concentration of the acceptors in the π-layer is smaller than the concentration of the donors in the n-layer, then the space charge layer in the jr-zone is larger than in the n-zone. The wider space charge zone thus occurs at a pn junction G in that layer which has a lower doping.

In der F i g. 2 sind zwei weitere Fälle ej und C₃" eingetragen, ej tritt ein, wenn die r-Schicht äußerst wenig dotiert ist, also nahezu eigenleitend ist. In dieser nicht dotierten Schicht ist alsdann die Feldstärke E konstant. Geht man noch etwas weiter und dotiert man diese Schicht ganz schwach positiv (π), so tritt die maximale Feldstärke E längs der Trennschicht 4-4" (Fig. 1) auf, also dort, wo der Leitfähigkeitswechsel π —η der Dotierung vorhanden ist (Kurve ft"). Die Trennschichten 1-1" und 4-4" haben dann ihre Funktionen vertauscht.In FIG. 2 two further cases ej and C ₃ ″ are entered, ej occurs when the r-layer is extremely little doped, i.e. almost intrinsically conductive. The field strength E is then constant in this undoped layer. If one goes a little further and doped if this layer is very weakly positive (π), then the maximum field strength E occurs along the separating layer 4-4 "(FIG. 1), that is to say where the conductivity change π -η of the doping is present (curve ft") Separating layers 1-1 "and 4-4" have then exchanged their functions.

In F i g. 3 ist eine p-v-p-Konfiguration dargestellt, wobei also die v-Schicht n-Leitfähigkeit aufweist und von den drei dargestellten Schichten am niedrigsten dotiert ist. Es sind also zwei aufeinanderfolgende, entgegengesetzt gepolte pn-Übergänge G\ und Gi vorhanden. Je nach anliegender Spannung sperrt entweder G\ oder G₂. Durch geeignete, bekannte Maßnahmen kann der jeweils sperrende Übergang zum Durchbruch gebracht werden. Während der Sperrung tritt die maximale elektrische Feldstärke also entweder an G\ oder an G₂ auf.In Fig. 3 shows a pvp configuration, the v-layer therefore having n-conductivity and being the least doped of the three layers shown. There are therefore two consecutive, oppositely polarized pn junctions G \ and Gi . Depending on the applied voltage, either G \ or G ₂ blocks. The blocking transition in each case can be brought to a breakthrough by suitable, known measures. During the blocking, the maximum electric field strength occurs either at G \ or at G ₂ .

Der Querschnitt der v-Schicht nimmt nun vom Querschnitt der pi-Schicht bis zum Querschnitt der P2-Schicht zunächst ab und dann wieder zu. Es ergibt sich eine Art Kerbe mit dem Scheitel 4, wodurch die v-Schicht in einen dem pn-Übergang G\ und einen dem pn-Übergang G₂ zugewandten Bereich aufgeteilt wird. Das Profil der v-Schicht verläuft also längs der Linie 1-2-3-4-12-11. Die in F i g. 3 eingetragenen Dicken b\ und bi der v-Schicht nehmen also mit zunehmendem Abstand αϊ bzw. Ot₂ von den Randpunkten 1 und 11 aus zu. Im dargestellten Falle sind b\ bzw. O₂ proportional zu αϊ bzw. Oi₂. Die Neigungswinkel αϊ und Oi₂ können verschieden groß gewählt werden, sind jedoch vorzugsweise gleich groß. Das Halbleiterbauelement in F i g. 3 kann rotationssymmetrisch sein oder ein Parallelepiped. Nimmt man an, daß bei Sperrbeanspruchung von G\ ohne Anschrägung in dem Punkt 1 nahezu die gleiche Feldstärke wie in dem Punkt 1" herrscht, so ergibt sich, daß die Oberflächenfeldstärke E₁ in dem Punkt 1 um so kleiner ist, je kleiner der Winkel αϊ ist. Die Oberflächenfeldstärke E, nimmt ferner vom Punkt 1 bis zum Punkt 3 ab und erreicht z. B. im Punkte 3 den Wert Null. Die Raumladungszone in der v-Schicht ist durch die Punkte 1 — 1"—3"—3 begrenzt. Ist die Sperrspannung höher, so kann die Raumladungszone bis zur Linie 4-4" oder sogar noch tiefer in die v-Zone vordringen. Der Verlauf der elektrischen Feldstärke wird dann sehr komplex, doch ist die Oberflächenfeldstärke Et bei den Punkten 3,4,12 jedenfalls stets kleiner als ohne Anschrägung.The cross-section of the v-layer now initially decreases from the cross-section of the pi-layer to the cross-section of the P2-layer and then increases again. A kind of notch results with the apex 4, as a result of which the v-layer is divided into an area facing the pn junction G 1 and a region facing the pn junction G _2. The profile of the v-layer therefore runs along the line 1-2-3-4-12-11. The in F i g. 3, the thicknesses b \ and bi of the v-layer, shown in FIG. 3, increase with increasing distance αϊ or Ot ₂ from the edge points 1 and 11 . In the case shown, b \ and O _{2 are} proportional to αϊ and Oi _2, respectively. The angles of inclination αϊ and Oi ₂ can be selected to be of different sizes, but are preferably the same size. The semiconductor component in FIG. 3 can be rotationally symmetrical or a parallelepiped. Assuming that with blocking stress of G \ without bevel in point 1 there is almost the same field strength as in point 1 ", it follows that the surface field strength E ₁ in point 1 is the smaller, the smaller the angle The surface field strength E further decreases from point 1 to point 3 and reaches, for example, the value zero at point 3. The space charge zone in the v-layer is defined by points 1-1 "-3" -3 If the reverse voltage is higher, the space charge zone can penetrate to line 4-4 "or even deeper into the v-zone. The course of the electric field strength then becomes very complex, but the surface field strength Et at points 3, 4, 12 is always smaller than without a bevel.

Um in der pi-Schicht auf der Strecke 1-6 hohe Feldstärken zu vermeiden, ist es angezeigt, auch das Profil der pi-Schicht entsprechend zu formen, z. B. entsprechend einem Linienzug durch die Punkte 1 —62—7. Versuche haben gezeigt, daß es auch möglich ist, das Profil nach der Geraden 9-10 zu begrenzen, so daß die v-Schicht am Rande eine geringe Stärke bo hat, die klein ist im Vergleich zur halben Dicke d derIn order to avoid high field strengths in the pi-layer on the route 1-6, it is advisable to shape the profile of the pi-layer accordingly, e.g. B. corresponding to a line through points 1-62-7. Tests have shown that it is also possible to limit the profile according to the straight line 9-10 , so that the v-layer at the edge has a small thickness bo , which is small compared to half the thickness d of

ίο r-Schicht. Die Oberflächenfeldstärke in dem Punkte Γ ist dann ebenfalls kleiner als die Feldstärke im Punkte 1".ίο r-layer. The surface field strength at point Γ is then also smaller than the field strength at point 1 ".

Hingegen hat sich gezeigt, daß die Anordnung nicht im gewünschten Sinne funktioniert, wenn man statt des Winkels «, den Wert 180° —αϊ wählt, wenn man also die Abschrägung 1-4 spiegelbildlich nach außen statt nach innen wählt. Obwohl sin (180° — αϊ) = sin αϊ ist und damit die Aufweitung der Sperrschicht in den beiden Fällen die gleiche wäre, ist die Oberflächenfeldstärke keineswegs für beide Fälle gleich.On the other hand, it has been shown that the arrangement does not work in the desired sense if, instead of the angle, the value 180 ° -αϊ is selected, i.e. if the bevel 1-4 is selected as a mirror image to the outside instead of to the inside. Although sin (180 ° - αϊ) = sin αϊ and thus the expansion of the barrier layer would be the same in both cases, the surface field strength is by no means the same for both cases.

Der Winkel αϊ = α₂ = 0 in F i g. 3 soll ausgeschlossen sein. Ebenso ist der Winkel αϊ = <x₂ = 90° unwirksam, desgleichen stumpfe Winkel on = X₂ zwischen 90 und 180°. Bei diesen letzteren nimmt die Grenze 3—3" der Raumladungszone eine ungünstige Form an, wodurch die Oberflächenfeldstärke E, im Punkte 1 sogar eher zustatt abnimmt.The angle αϊ = α ₂ = 0 in F i g. 3 should be excluded. The angle αϊ = <x ₂ = 90 ° is also ineffective, as is the obtuse angle on = X ₂ between 90 and 180 °. In the case of these latter the boundary 3—3 "of the space charge zone assumes an unfavorable shape, as a result of which the surface field strength E, in point 1, even rather decreases.

Das vorstehend für eine Sperrbeanspruchung des pn-Überganges G\ Dargestellte läßt sich identisch für den Fall wiederholen, daß G₂ auf Sperrung beansprucht wird. Dieser Fall wird daher nicht eigens beschrieben. Die Bezugszeichen 11 — 19,110 wurden so gewählt, daß sie die Anwendung des zu G\ Gesagten auf G₂ ohne weiteres ersichtlich werden lassen.What was shown above for a blocking load on the pn junction G \ can be repeated identically for the case that G _{2 is} stressed for blocking. This case is therefore not specifically described. The reference numerals 11 to 19.110 are that they allow the application of will be apparent to G \ been said to G ₂ readily selected.

F i g. 4 zeigt eine besonders günstige Profilform der mittleren, niedriger dotierten Zone v. Die in der v-Schicht vorhandene Kerbe zeigt eine V-Form, deren Scheitel bei Punkt 4 kreisförmig ist. Demgegenüber weist die Kerbe in F i g. 3 ein dreieckförmiges Profil auf.F i g. 4 shows a particularly favorable profile shape of the central, lower doped zone v. The notch present in the v-layer shows a V-shape, the apex of which is circular at point 4. In contrast, the notch in FIG. 3 has a triangular profile.

Das Profil kann im übrigen an den pn-Übergängen Gi und G₂ auch verschieden geformt werden, falls für die positive und die negative Sperrspannung verschieden hohe Werte gewünscht werden.The profile can also be shaped differently at the pn junctions Gi and G ₂ if different values are desired for the positive and negative reverse voltage.

In F i g. 5 ist das Profil der v-Zone längs der Kurve 1-2-3-4-12 geformt. Der Neigungswinkel oc\— oc\'—1x4 der Tangente nimmt vom Punkte 1 bis zum Punkte 4 fortlaufend zu und kann im Scheitel 4 sogar den Wert 90° erreichen. Als Varianten sind in F i g. 5 für das Profil der pi-Zone und v-Zone wieder die Kurvenzüge 2-1-62-7 und 2-9-10 eingetragen.In Fig. 5 the profile of the v-zone is shaped along the curve 1-2-3-4-12. The angle of inclination oc \ - oc \ '- 1x4 of the tangent increases continuously from point 1 to point 4 and can even reach the value 90 ° at vertex 4. As variants are shown in FIG. 5 the curves 2-1-62-7 and 2-9-10 are again entered for the profile of the pi-zone and v-zone.

In Fig.6 sind nur zwei Schichten η\—π gezeichnet, wobei die ττ-Schicht die am geringsten dotierte Schicht ist. Das Profil in F i g. 6 ist umgekehrt gekrümmt wie in F i g. 5, was in keinem Zusammenhang mit der Anordnung der Schichten steht. Es kann sein, daß aus Gründen der verschiedenen örtlichen Dotierung oder aus Herstellungsgründen das Profil gemäß Fig.6 gewählt wird. Wesentlich ist auch hier, daß im Punkt 1 die tangentiale Feldstärke gegenüber der Feldstärke in der Achse des Halbleiters stark reduziert ist.In FIG. 6 only two layers η \ -π are drawn, the ττ layer being the least doped layer. The profile in FIG. 6 is curved in the opposite direction to that in FIG. 5, which is unrelated to the arrangement of the layers. It may be that the profile according to FIG. 6 is selected for reasons of different local doping or for manufacturing reasons. Here, too, it is essential that in point 1 the tangential field strength is greatly reduced compared to the field strength in the axis of the semiconductor.

Die Schichtdicke d der v-Zone in F i g. 1 muß um so höher gewählt werden, je höher die Sperrspannung an dem pn-Übergang G sein soll. Bei Spannungen von 500 Volt bis 2000 oder 3000 und mehr Volt erreicht man leicht Dicken d von 0,1 ... 0,2 ... 0,3 mm, so daß es durchaus möglich ist, das Profil entsprechend den F i g. 3—6 herzustellen. Beträgt der Winkel <xi im Punkte 1 z. B. 30°, so wird die Oberflächenfeldstärke dortThe layer thickness d of the v-zone in FIG. 1 must be selected to be higher, the higher the reverse voltage at the pn junction G is to be. At voltages of 500 volts to 2000 or 3000 and more volts, thicknesses d of 0.1 ... 0.2 ... 0.3 mm can easily be achieved, so that it is entirely possible to use the profile according to FIGS. 3—6 to manufacture. If the angle <xi in point 1 is z. B. 30 °, the surface field strength is there

beispielsweise um 50% reduziert. Wählt man jedoch Λι = 5°, so geht die Oberflächenfeldstärke beispielsweise auf rund ein Zehntel zurück. Bei einer Schichtdicke von d = 0,2 mm liegt dann die Kerbentiefe z. B. bei 2 mm. Man ersieht daraus, daß man bei hohen Sperrspannungen zu Profilen kommt, die sich durch mechanische oder chemische Mittel herstellen lassen. Das ist selbst bei Werten von a. = 2,5° noch gut möglich.for example reduced by 50%. If, however, Λι = 5 ° is selected, the surface field strength drops to around a tenth, for example. With a layer thickness of d = 0.2 mm, the notch depth is then z. B. at 2 mm. It can be seen from this that with high blocking voltages one comes to profiles which can be produced by mechanical or chemical means. This is even with values of a. = 2.5 ° is still possible.

Bei Leistungshalbleiterbauelementen mit Sperrspannungen an der Sperrschicht von über 500 Volt liegt die Dicke der schwach dotierten Schich. in der Gegend von einigen hundert Mikron, so daß sich die Abschrägung gut ausführen läßt und ökonomisch tragbar wird. Die durch das Halbleiterbauelement durchgehende Leistung überschreitet dabei leicht 1 kW, sie kann bis 50 kW und mehr erreichen.In the case of power semiconductor components with blocking voltages at the blocking layer of more than 500 volts, the Thickness of the lightly doped layer. in the region of a few hundred microns so that the bevel is can be carried out well and is economically viable. The power passing through the semiconductor device easily exceeds 1 kW, it can reach up to 50 kW and more.

Wegen der aufeinanderfolgenden, in ihrem Sperrverhalten in entgegengesetzter Richtung wirkenden pn-Übergänge ist es bei Mehrschichthalbleitern möglich, daß auch bei positiven Betriebsspannungen eine Sperrung eintritt, wobei ein ganz kleiner Leckstrom auftritt. Soll jedoch ein beträchtlicher Strom bei positiven Betriebsspannungen fließen, so muß eine positive Zündspannungsspitze überschritten werden, ähnlich wie beim Funkenpotential einer Glimmentladungsstrecke. Diese Zündspannungsspitze kann durch zusätzliche Hilfsströme stark reduziert werden. Zu diesen Halbleitern gehören die sogenannten Vierschichtendioden und die Thyristoren. Die »Zündspannung« kann auch negativ sein.Because of the successive pn junctions that act in opposite directions in terms of their blocking behavior it is possible with multilayer semiconductors that even with positive operating voltages a Blocking occurs, with a very small leakage current occurring. However, a considerable current is expected positive operating voltages flow, a positive ignition voltage peak must be exceeded, similar to the spark potential of a glow discharge gap. This ignition voltage peak can through additional auxiliary currents can be greatly reduced. So-called four-layer diodes belong to these semiconductors and the thyristors. The "ignition voltage" can also be negative.

F i g. 7 zeigt eine besonders konstruktive Ausführung eines Thyristors. Dieser weist vier Schichten p2, v, p\, η auf, die Anode A ist oben, die Kathode Cunten und die Steuerelektrode Gt axial angeordnet. Hat die Anode A ein höheres Potential als die Kathode C, so tritt die hohe Sperrspannung an der Grenzschicht G\ auf. Hat jedoch die Anode A ein tieferes Potential als C, so tritt die Sperrspannung an der Grenzschicht G2 auf. Das Profil der v-Schicht wird sowohl zwischen den Punkten 1—4—11 als auch zwischen den Punkten 101 —411 — 111 nach den Fig.3—6 geformt. Die innere Kerbe 101—411 — 111 muß dabei »spiegelbildlich« zu der Kurve 1-4-11 liegen.F i g. 7 shows a particularly constructive embodiment of a thyristor. This has four layers p2, v, p \, η , the anode A is at the top, the cathode C at the bottom and the control electrode Gt is arranged axially. If the anode A has a higher potential than the cathode C, the high reverse voltage occurs at the boundary layer G \ . However, if the anode A has a lower potential than C, the reverse voltage occurs at the boundary layer G2 . The profile of the v-layer is formed both between points 1-4-11 and between points 101-411-111 according to FIGS. 3-6. The inner notch 101-411-111 must be "mirror image" to the curve 1-4-11.

Die Fig.8 und 9 zeigen die Herstellung eines kerbenförmigen Profils vermittels eines Strahls 5 und einer Düse D. Der Strahl S kann aus einer Flüssigkeit bestehen, z. B. aus einer geeigneten Säure. Dieser Flüssigkeitsstrahl kann aber auch feste Körper enthalten, um zusätzlich zu der chemischen eine mechanische Wirkung auszuüben. Es ist auch möglich, daß nur ein Strahl feiner Körner verwendet wird, ähnlich wie bei einem Sandstrahlgebläse. Solche Körner könnten beispielsweise aus reinem Quarz bestehen. Die Herstellung der Profilformen nach den Fig.3—7 kann natürlich auch mit rein mechanischen Mitteln, wie Schmirgelscheiben erfolgen.8 and 9 show the production of a notch-shaped profile by means of a jet 5 and a nozzle D. The jet S can consist of a liquid, e.g. B. from a suitable acid. However, this jet of liquid can also contain solid bodies in order to exert a mechanical effect in addition to the chemical one. It is also possible that only a fine grain jet is used, similar to a sandblasting fan. Such grains could consist of pure quartz, for example. The production of the profile shapes according to FIGS. 3-7 can of course also be carried out with purely mechanical means, such as emery wheels.

Die Oberfläche der Halbleiterkörper, insbesondere in der schwachdotierten Zone, kann in bekannter Weise mit geeigneten Schutzschichten überzogen werden. Als solche können Silikonlacke oder eine Quarzschicht verwendet werden.The surface of the semiconductor body, in particular in the lightly doped zone, can be in a known manner be covered with suitable protective layers. As such, silicone varnishes or a layer of quartz can be used be used.

Die Ermittlung des wahren Feldstärkeverlaufes ist sehr kompliziert und daher vorstehend nicht weiter besprochen. Der für die Erfindung maßgebende Effekt, daß eine Anschrägung der beschriebenen Art der beiden aufeinanderfolgenden, in ihrem Sperrverhalten in entgegengesetzter Richtung wirkenden pn-Übergänge eine erhebliche Verminderung der Oberflächenfeldstärke bewirkt, ist jedoch jedenfalls qualitativ richtig.The determination of the true field strength curve is very complicated and therefore not further above discussed. The decisive effect for the invention that a bevel of the type described two successive pn junctions that act in opposite directions in terms of their blocking behavior causes a considerable reduction in the surface field strength, but it is qualitatively correct in any case.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

809608/1809608/1

Claims

Patent claims:

1. Power semiconductor component with a semiconductor body with at least two successive pn junctions which act in their blocking behavior in opposite directions and which delimit two more highly doped layered zones from an intermediate, less doped layered zone, characterized in that the lateral surface of the middle, lower doped zone has a notch on its entire circumference which, in its areas facing the two pn junctions (Gi, G ₂ ), forms an acute angle (oc \, <x ₂ ) with the closest pn junction surface.

2. Power semiconductor component according to claim 1, characterized in that the acute angle (αι. «2) have values between 2.5 and 30 °.

3. Power semiconductor component according to claim 1 or 2, characterized in that the lateral surfaces of the more highly doped zones form a right angle with the planes of the pn junctions (Gi, G2) , and the surface of the notch in the lateral surface of the central zone the planes of these pn junctions (G \, G2) each form an acute angle («1.1X2) (Figs. 3 and 5, lines 2-1-8 and 12-11-18).

4. Power semiconductor component according to claim 1 or 2, characterized in that both the lateral surfaces of the more highly doped zones and those of the lower doped zone with the planes of the pn junctions (Gi, G ₂ ) essentially one

■ Form right angles (lines 2-9-10 and 12-19-110 in F i g. 3 and 5) and the locations (9, 19) at which the lateral surface of the lower doped zone merges into the acute-angled inclination of the notch , each have a small distance (bo, bo ') from the pn junction areas (G _t , G2) compared to the thickness of the lower doped zone.

5. Power semiconductor component according to claim 1 or 2, characterized in that the outer surfaces of the more highly doped zones with the pn junction surfaces (Gi, G2) form an obtuse angle and the outer surface of the central zone with these surfaces each form an acute angle and the sum of the acute angles and the obtuse angle is each equal to 180 ° (Fig. 3 and 5, lines 2-1-7 and 12-11-17).

6. Power semiconductor component according to one of claims 1-5, characterized in that the surface of the notch in the lateral surface of the lower doped zone where it is inclined with respect to the pn transition surfaces (Gu G ₂ ) is concave (F i g . 4 and 5).

7. Power semiconductor component according to one of claims 1-5, characterized in that the surface of the notch in the lateral surface of the lower doped zone where it is inclined with respect to the pn transition surfaces (G _it G ₂ ) is convex (F i g. 6).

8. Power semiconductor component according to claim 6, characterized in that the angle (<xi -on'- O ₄ ) which the area of the notch in the lateral surface of the lower doped zone with the pn junction areas (Gi, G ₂ ) forms from the pn junction areas (Gi, G ₂ ) increases to double to ten times the value (Figs. 4 and 5).

9. Power semiconductor component according to claim

1, characterized in that the cross section of the notch is circular at its apex (Fig. 4).

10. Power semiconductor component according to claim 9, characterized in that the power semiconductor component is a thyristor which has a central recess in its lower doped base zone and the adjoining emitter zone through which the control electrode (Gt) is guided to the more highly doped base zone, and that the lower doped base zone is curved concavely on its outer (1-4-11) as well as on its inner (101-411-111), created by the recess, notch-shaped jacket surface (FIG. 8).

11. Power semiconductor component according to one of the Claims 1 - 10, characterized in that the surface of the semiconductor body, in particular the Outer surface of the lower doped zone, covered with a protective layer made of S1O2 or silicone varnish is.