DE1439522B2

DE1439522B2 - Halbleiterbauelement mit einem gleichrichtenden pn-uebergang und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE1439522B2
Application number: DE19641439522
Authority: DE
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH, 7800 Frei
Priority date: 1963-05-13
Filing date: 1964-05-09
Publication date: 1973-07-05
Also published as: DE1439522A1; NL6405339A; GB1013424A

Description

Es ist bekannt, daß das Verhalten von Halbleiterbauelementen mit pn-übergang, an die eine Vorspannung in Sperrichtung gelegt ist, durch eine Vielzahl von Faktoren bestimmt wird. Es ist ebenfalls bekannt, daß man sich den Strom, der durch eine Anordnung mit dieser Vorspannung fließt, in einen Oberflächenstrom und einen durch das Innere des Halbleiterkörpers fließenden Strom aufgeteilt vorstellen kann.

Die Güte, Stabilität und Lebensdauer vieler Halbleiterbauelemente, die pn-Übergänge enthalten, wird durch die Höhe dieses Sperrstromes bestimmt. Hohe Sperrströme führen zu einer ausgedehnten oder örtlichen Energiestreuung in der Anordnung.

Diese Energieverteilung führt direkt oder indirekt zum Ausfall und letzten Endes zur Selbstzerstörung des Halbleiterbauelementes.

Die Untersuchung, deren Ergebnis die hier beschriebene Erfindung ist, hat zu einer Erklärung der Vorgänge geführt, die für die hohen Sperrströme in schlechten Halbleiterbauelementen mit pn-Ubergang verantwortlich sind. Die unter dieser Erfindung zusammengefaßten Vorgänge werden am besten an Hand dieser Auffassung über den Mechanismus des Sperrstromes am pn-Ubergang erläutert.

Eine typische Strom-Spannungscharakteristik von einem pn-übergang mit einem hohen Sperrstrom (ein

ίο »weicher« Übergang) ist in F i g. 1 dargestellt. Wenn das als ein Beispiel ausgewähltes Halbleiterbauelement für 10 A in Durchlaßrichtung bestimmt ist, dann übersteigt die Verlustleistung in Sperrichtung diejenige in Durchlaßrichtung bei Sperrspannungen von mehr als 200 V und das Halbleiterbauelement fällt infolge Überhitzung aus.

Es ist bekannt, daß schlechte Sperrkennlinien von dieser allgemeinen Art üblicherweise mit dem Vorhandensein von anderen als den sogenannten »kennzeichnenden« Fremdstoffen, wie Donator- und Akzeptoratomen, im Halbleiter verbunden sind. Diese anderen Fremdstoffe sollen als nichtkennzeichnende Fremdstoffe bezeichnet werden. Wenn sie innerhalb der Raumladungszone vorhanden sind, dann erzeugen sie Stromträger und sind in den meisten Fällen die Ursache des Anstieges des Sperrstromes. Diese Situation ist in Fig. la bildlich dargestellt. Die Konfiguration entspricht dem Zustand, daß an den pnübergang eine Vorspannung in Sperrichtung angelegt ist. Die von beweglichen Ladungsträgern im wesentlichen freie Raumladungszone (Sperrzone) dehnt sich infolge der angelegten Sperrspannung hauptsächlich in die Seite von dem pn-Ubergang aus, die einen höheren spezifischen Widerstand besitzt. Die Schraffierung deutet das Vorhandensein von nichtkennzeichnenden Fremdstoffen an.

Ein Verfahren zum Entfernen solcher Fremdstoffe, bei welchem sie an einer Oberfläche des Halbleiterbauelements ausgeschieden werden, die nicht durch den pn-Ubergang geschnitten wird, ist bereits vorgeschlagen worden (deutsche Auslegeschrift 1 444 501). Danach wird eine Schicht mit Gitterstörungen auf dieser Oberfläche erzeugt, und die Fremdstoffe werden während der anschließenden Wärmebehandlung infolge dieses »Getter«-Prozesses darin abgeschieden. Die für den pn-übergang nach dieser Behandlung typische Strom-Spannungs-Kennlinie ist in F i g. 2 gezeigt, und eine bildliche Darstellung des Halbleiterbauelementes unter einer hohen Vorspannung in Sperrichtung ist in F i g. 2 a gezeigt. Ein solches Halbleiterbauelement mit einer wie in F i g. 2 dargestellten Kennlinie ist beispielsweise gut als Gleichrichter geeignet, wenn die Kennlinien stabil sind.

Es ist auch bekannt, daß die Eigenschaften eines solchen Halbleiterbauelementes stark abhängig sind von den Bedingungen an der Oberfläche, und insbesondere von den Bedingungen an dem Teil der Oberfläche, wo die Raumladungszone an die Oberfläche des Halbleiterbauelementes tritt. Der Fig. 2b, in der die elektrische Feldstärke innerhalb des Halbleiterkörpers des Halbleiterbauelementes bei einer hohen angelegten Sperrspannung dargestellt ist, kann entnommen werden, daß die maximale Feldstärke am pn-übergang selbst auftritt. In erster Näherung ist die Feldverteilung bei YY sehr nahe an der Oberfläche des Halbleiterbauelements dieselbe wie bei XX. Die Oberfläche des Halbleiterbauelements wird normalerweise mehr örtliche Unvollkommenheiten

als der übrige Halbleiterkörper enthalten, sie wird bis zu einem gewissen Grade unregelmäßig und mehr oder weniger stark mit Fremdmaterial verunreinigt sein. Wenn die an das Halbleiterbauelement angelegte Sperrspannung vergrößert wird, dann wird möglicherweise ein Stadium erreicht, bei welchem ein elektrischer Durchschlag erfolgt. Aus der vorangegangenen Erläuterung ergibt sich, daß ein Durchschlag in dem in F i g. 2 a dargestellten Halbleiterbauelement am wahrscheinlichsten an den Punkten der Oberfläche auftreten wird, wo örtliche Unregelmäßigkeiten Anlaß zur lokalen Feldstärkeerhöhung, zu einer gesteigerten Empfindlichkeit gegenüber dem elektrischen Feld oder einer erhöhten örtlichen Leitfähigkeit geben. Ein örtlicher Oberflächendurchschlag dieser Art wurde als Hauptursache des Ausfallens von Halbleiterbauelementen mit pn-übergang gefunden, die für Sperrspannungen von mehr als 500 V bestimmt sind. Die F i g. 3 zeigt die Eigenschaften eines Gleichrichters, der nach dem vorgeschlagenen Verfahren gegettert wurde. Kurve 1 ist eine typische Kennlinie nach dem Ätzen und Montieren des Halbleiterbauelements, und die Kurve 2 zeigt die Kennlinie nach dem örtlichen Durchschlag. F i g. 3 a veranschaulicht das der Kurve 2 von F i g. 3 entsprechende Halbleiterbauelement. Der Durchschlag im Gebiet 3 hat zu einer örtlichen Überhitzung und darauffolgenden Diffusion von unvermeidlich auf der Oberfläche vorhandenen Fremdstoffen in das Gebiet 4 des Halbleiterkörpers hinein geführt. Die Bedingungen in diesem Gebiet sind nun die gleichen wie in dem Halbleiterbauelement gemäß Fig. la.

Ein irreversibler Durchschlag dieser Art tritt in Gleichrichtern auf, wenn das Halbleiterbauelement bei einer kontinuierlich angelegten Spannung oder bei einem kurzen Spannungsstoß den mit B markierten Punkt in F i g. 3 überschreitet. Der Figur kann entnommen werden, daß die Verlustleistung des Halbleiterbauelements in diesem Punkt viel geringer ist als die zulässige Verlustleistung in Durchlaßrichtung.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannte Art von Oberflächendurchschlag zu verhindern. Dadurch wird sowohl die zulässige Arbeitsspannung eines gegebenen Halbleiterbauelements mit pn-übergang als auch seine Stabilität verbessert und seine Lebensdauer erhöht. Ferner wird eine periodische oder kontinuierliche Aussteuerung in das Gebiet der Sperrkennlinie ermöglicht, wo die Verlustleistung mit derjenigen einer Vorspannung in Durchgangsrichtung vergleichbar ist. Die Kennlinien eines solchen Halbleiterbauelements sind in F i g .4 dargestellt, in der Gebiete I, II und III zulässige Arbeitsbereiche darstellen.

Die Erfindung geht aus von einem Halbleiterbauelement mit einem gleichrichtenden pn-übergang zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps und unterschiedlichen spezifischen Widerstandes, wie es aus der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal« Bd. 35 (Mai 1956), S. 661 bis 684, bekannt war. Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem gleichrichtenden pn-übergang zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps und unterschiedlichen spezifischen Widerstandes, bei dem die gesamte Randfläche der Zone höheren spezifischen Widerstandes mindestens an der Durchtrittsstelle der pn-Übergangsfläche an die Oberfläche des Halbleiterkörpers gegen die pn-Übergangsfläche einen Winkel von weniger als 90° aufweist. Ein derartiges Halbleiterbauelement war aus der deutschen Auslegeschrift 1 094 886 bekannt. Die nach der Lehre dieser Vorveröffentlichung hergestellten Halbleiterbauelemente weisen keine verbesserten Eigenschaften bezüglich der Verhinderung von Oberflächendurchschlägen auf.

Diese Oberflächendurchschläge können reproduzierbar erfindungsgemäß dadurch verhindert werden,

ίο daß die Dicke der Zone höheren spezifischen Widerstandes größer ist als die Dicke der sich in diese Zone bei Anlegen einer Spannung annähernd gleich der Durchschlagspannung des pn-Überganges ausdehnenden Raumladungszone, daß der Halbleiterkörper zumindest an der Durchtrittsstelle der pn-Übergangsfläche an die Randfläche mit einer Schutzschicht überzogen ist, deren Dielektrizitätskonstante wesentlich kleiner als die des Halbleiterkörpers ist, und daß der Winkel von weniger als 90° so an den spezifischen Widerstand und die Dicke der Zonen angepaßt ist, daß ein Oberflächendurchschlag ausgeschlossen ist.

Aus der Zeitschrift »Journal of Electrochemical Society«, Bd. 107 (1960) Nr. 12, S. 269 C, war ein Halbleiterbauelement mit einem gleichrichtenden pnübergang zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps bekannt, bei dem die gesamte Randfläche an der Durchtrittsstelle der pn-Ubergangsfläche an die Oberfläche des Halbleiterkörpers gegen die pn-Übergangsfläche einen Winkel von weniger als 90° zur Erhöhung der Oberflächendurchbruchsspannung aufweist. Diese Formgebung des Halbleiterkörpers erfolgt aber nicht zur Verhinderung eines Oberflächendurchschlages.

Aus der Zeitschrift »Solid State Electronics«, Pergamon Press (1960) Bd. 1, S. 107 bis 122, und der deutschen Auslegeschrift 1 094 886 waren Halbleiterbauelemente mit einem gleichrichtenden pn-Ubergang zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und unterschiedlichen spezifischen Widerstandes bekannt, bei denen die Randfläche einer Zone mindestens an der Durchtrittsstelle der pn-Übergangsfläche an die Oberfläche des Halbleiterkörpers gegen die pn-Übergangsfläche einen Winkel von weniger als 90° aufweist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1137 140 war schließlich ein Halbleiterbauelement mit einem gleichrichtenden pn-übergang zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps bekannt, bei dem die gesamte Randfläche der beiden Zonen mindestens an der Durchtrittsstelle der pn-Übergangsfläche an die Oberfläche des Halbleiterkörpers gegen die pn-Übergangsfläche geneigt ist und mit einer Schutzschicht aus einem anorganischen Stoff wie Glas, Magnesiumfluorid, Quarz, Siliziummonoxid oder Zirkonsilikat überzogen ist. Dies dient lediglich zur Verringerung der Restströme in Sperrichtung und nicht zur Verhinderung von Oberflächendurchschlägen.
Eine derartige Formgebung des Halbleiterkörpers erfolgt aber bei diesen bekannten Halbleiterbauelementen weder zum Zweck der Verhinderung eines Oberflächendurchschlages, noch wird dieser beiläufig verhindert.

Darüber hinaus war aus der französischen Patentschrift 1244 613 auch eine Vierschichtdiode bekannt, bei der die gesamte Randfläche einer Zone mindestens an der Durchtrittsstelle der pn-Übergangsfläche an die Oberfläche des Halbleiterkörpers gegen die

pn-Übergangsfläche einen Winkel von weniger als 90° aufweist. Diese Formgebung des Halbleiterkörpers bei der bekannten Vierschichtdiode erfolgt aber weder nach der Lehre der vorliegenden Erfindung, noch zum Zwecke der Erhöhung der zulässigen Arbeitsspannung, sondern zur Beeinflussung des Stromflusses im Halbleiterkörper.

Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung wird die Geometrie des Halbleiterbauelementes so an die Parameter des spezifischen Widerstandes und der Dicke der n- und p-Zone angepaßt, daß die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des Halbleiterkörpers überall wesentlich niedriger ist als in dem von der Oberfläche verhältnismäßig entfernten Gebiet des pn-Überganges. Aus Gründen, die später erläutert werden, sind alle Dimensionen auf die Ausdehnung der Raumladungszone innerhalb des Halbleiterkörpers des Halbleiterbauelementes bezogen, wenn eine Sperrspannung entsprechend dem Übergang vom Bereich I zu Bereich II in F i g. 4 angelegt ist.

Die Erfindung kann am besten an Hand der F i g. 5 bis 7 erläutert werden. F i g. 5 stellt einen Querschnitt eines zylindrischen, symmetrischen parallelen Plattenkondensators dar, in der mit PP' die Platten und mit D das Dielektrikum bezeichnet ist. Die Feldverteilung für eine angelegte Spannung V ist in F i g. 5 a dargestellt. Die Feldstärke ist an den von der Randfläche entfernten Punkten gleich und ist als durchgehende Kurve 5 in F i g. 5 a dargestellt. Entlang der Randfläche ändert sich jedoch die Feldstärke, wie durch die gestrichelte Linie in F i g. 5 a dargestellt ist. Die Größe dieser Feldstärke kann durch die üblichen Methoden zur Lösung der Laplaceschen Gleichung bestimmt werden, unter Benutzung der Voraussetzung als notwendige und hinreichend genaue Näherung, daß das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums zu der des umgebenden Mediums so groß ist, daß keine Komponente der Feldstärke senkrecht zur Grenze des Dielektrikums auftritt.

Betrachten wir nun den Fall eines in Sperrichtung vorgespannten (zylindrischen, symmetrischen) Überganges, dessen Querschnitt in F i g. 6 dargestellt ist. Bei einer Sperrspannung V, die nahe der »Durchschlagspannung« liegt, kann das Halbleiterbauelement formell mit dem des parallelen Plattenkondensators verglichen werden. Die Kanten der Raumladungszone (PP'), außerhalb derer die Potentialänderung gering ist, entsprechen den Platten des Kondensators, und die Raumladungszone dem Dielektrikum. Die Raumladungszone enthält in diesem Fall unbewegliche elektrische Ladungen mit einem bestimmten Vorzeichen und einer bestimmten Dichte auf der einen Seite des pn-Uberganges (C-), jedoch von entgegengesetztem Vorzeichen und einer anderen Dichte (C+) auf der anderen Seite. Die Dichte ist in jedem Fall gleich der Dichte der kennzeichnenden Fremdstoffe in diesem Bereich.

Die senkrecht zum pn-Ubergang gemessene Feldverteilung in den von der Randfläche entfernten Gebieten ist bekannt und in F i g. 6 a durch die ausgezogene Linie dargestellt.

Eine angenäherte Abschätzung der Feldstärke an der Randfläche des Halbleiterkörpers kann erhalten werden unter der Voraussetzung, daß das Verhältnis der Feldstärke an der Randfläche zu jenem in der Mitte der Raumladungszone des Halbleiterkörpers das gleiche ist wie bei dem parallelen Plattenkondensator. So erhält man durch Multiplizieren der Feldstärke an jedem Punkt des Körpers des Halbleiterbauelementes, die durch die durchgezogene Linie von F i g. 6 a gegeben ist, und das Verhältnis der Feldstärke an der Randfläche zu der Feldstärke im Inneren, die in F i g. 5 a angegeben ist, die Feldstärke entlang der frei liegenden Randfläche des Halbleiterbauelements. Dies ist durch die unterbrochene Linie in F i g. 6 a dargestellt. Es sei bemerkt, daß ihr maximaler Wert nicht mehr am pn-übergang auftritt und beträchtlich kleiner ist als in der Mitte des Halbleiterbauelementes. Ebenso wichtig ist die Feststellung, daß die Feldabschwächung keinen Einfluß hat auf die Verlängerung des Weges infolge der Abschrägung zwischen den Kanten der Raumladungszone, wo diese die Oberfläche des Halbleiterbauelements schneidet.

Ein anderes Halbleiterbauelement ist in F i g. 7 dargestellt. In diesem Fall ist das Halbleiterbauelement mit pn-Ubergang ein Teil des konventionellen Gleichrichteraufbaus vom p+-n-n+-Typ, und die Ausdehnung und der spezifische Widerstand der η-Zone ist so groß, daß sich die Raumladung bei der Arbeitsspannung des Halbleiterbauelementes merkbar in die n⁺-Zone hinein ausdehnt. In diesem Fall ist es bekannt, daß die Feldverteilung in dem Körper des Halbleiterbauelementes so verläuft wie die durchgezogene Linie in F i g. 7 a darstellt. Die Größe der Feldstärke an der Randfläche (die durch Anwendung der oben beschriebenen Methode erhalten wurde) ist durch die unterbrochene Linie in F i g. 7 a angegeben. Die Feldstärke an der Randfläche ist nun an einigen Stellen größer als jene im Inneren einer solchen Anordnung. Der Ausschluß eines solchen Halbleiterbauelements ist eine der Lehren dieser Erfindung.

Wenn die Abschrägung an der Randfläche eines Halbleiterbauelementes mit demselben Schichtaufbau der Zonen, wie er in F i g. 6 dargestellt ist, in entgegengesetztem Sinn verläuft, wie in F i g. 8 gezeigt, dann wird die Feldstärke an der Randfläche (s. Fig. 8a, unterbrochene Linie) wieder stellenweise größer sein als im Inneren. Auch ein solches Halbleiterbauelement wird ausgeschlossen.

Die Erfindung gibt eine Bemessungsregel an, mit deren Hilfe Halbleiterbauelemente konstruiert werden können, in denen die Feldstärke an irgendeinem Punkt an der Oberfläche des Halbleiterkörpers geringer ist als die maximale Feldstärke in dem Halbleiterkörper selbst. Diese Bemessungsregel wird bestimmt durch die zulässigen Beziehungen zwischen den spezifischen Widerständen des Halbleitermaterials zu beiden Seiten des pn-Uberganges, ferner der Ausdehnung des Gebietes oder der Gebiete zu beiden Seiten des pn-Überganges, in die sich die Raumladung infolge der angelegten Vorspannung in Sperrrichtung ausdehnt, und der Geometrie des HaIbleiterb auelementes.

Eine einfache Näherungsmethode zur Bestimmung der Feldabschwächung an der Oberfläche erhält man, wenn den im vorgehenden Absatz definierten Kontrollparametern bestimmte Werte zugewiesen werden. Wenn die Gestalt des hier zur Veranschaulichung benutzten Kondensators komplizierter ist, dann erhält man die Potentialverteilung und die Feldstärke im Dielektrikum durch eine der bekannten Methoden der Feldaufzeichung, beispielsweise durch Messen der Potentialverteilung auf Leitfähigkeitspapier. Diese

Methoden sind als angenäherte Wege zur Konstruktion eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung zu verstehen.

Ein exaktes Verfahren für ein beliebig gestaltetes Halbleiterbauelement wird im folgenden beschrieben:

F i g. 9 zeigt den allgemeinen Fall eines Halbleiterkörpers mit der Dielektrizitätskonstante K₁, deren Grenzen in Form von kartesischen Raumkoordinaten (z. B.) mit χ, ν und ζ angegeben werden können, der bekannte Lösung der Poissonschen Gleichung in einer gewissen Entfernung von den Grenzen, die groß ist im Vergleich zur Größe der Ausdehnung der Raumladungszone, in die die Lösung für die Äquipotentiale stetig übergehen muß.

Die zweckmäßigsten Halbleiterbauelemente sollten in der Ebene, die parallel zum pn-übergang verläuft, Krümmungsradien haben, die groß sind im Vergleich zur Ausdehnung der Sperrzone, so daß die Berech-

umgeben ist von einem Medium mit der Dielektrizi- io nung dadurch wesentlich vereinfacht wird, daß nur

tätskonstante K₂ · J_n ist der Übergang von einer Zone des einen Leitungstyps mit hohem spezifischem Widerstand zu einer Zone mit niedrigem spezifischem Widerstand mit entgegengesetztem Leitungstyp.

Lösungen in zwei Dimensionen erforderlich sind. Die Lösung der Differentialgleichung mit den angegebenen Randbedingungen kann im allgemeinen nicht analytisch ausgeführt werden, aber die Anwendung

V_e sind die Spannungen, die an die Zonen 15 beispielsweise der bekannten Relaxationsmethode er-

V_n und

mit dem hohen bzw. mit dem niedrigen spezifischen
Widerstand angelegt sind, so daß sich V_n — V_e als die
an den Halbleiterkörper angelegte Spannung in
Sperrichtung ergibt. Die unterbrochenen Linien S₁,
und S_e bezeichnen die Grenzen der Raumladungs- 20
zone in den Zonen mit dem hohen bzw. mit dem
niedrigen spezifischen Widerstand. Wenn E₀ die Dielektrizitätskonstante der freien Ladung und e die
Elementarladung ist, dann erfordert die Berechnung
der Feldverteilung innerhalb und außerhalb des 25 leiterbauelementes ist in F i g. 9 gezeigt. Eine obere Halbleiterkörpers, wie sie in F i g. 9 dargestellt ist, Grenze für die Größe der Feldstärke einer großen

gibt eine brauchbare Möglichkeit, den Wert von V an jedem Punkt in der Raumladungszone für irgendeine geometrische Gestalt des Halbleiterkörpers und ebenso den Wert von E zu erhalten.

Eine Schar von Kurven gemäß F i g. 9 a drückt die Beziehung zwischen der Feldstärke £ an der Oberfläche und die Entfernung vom pn-übergang entlang der Oberfläche eines gemäß der Erfindung gestalteten Halbleiterbauelementes aus. Die Gestalt des HaIb-

die Lösung der Poissonschen Gleichung:

A²V =

KE₀

y, z)

wobei

<5²

δ x²

δ ζ² Anzahl von Halbleiterbauelementen wird durch diese Kurvenschar bestimmt. Die normierten Koordinaten sind auf die Ausdehnung der Raumladungszone bzw. auf die maximale Feldstärke am pn-übergang im Halbleiterkörper bezogen.

Die einzige Beschränkung der Größe des spezifischen Widerstandes und der Dicke der schichtenförmigen Zonen zu beiden Seiten des pn-Überganges besteht darin, daß der spezifische Widerstand von der Zone, die eingeschlossen ist zwischen dem pnübergang und der spitzwinklig abgeschrägten Randfläche, merkbar größer sein sollte als der spezifische Widerstand der anderen Zone und daß die Ausdeh-

der Laplacesche Operator und ρ (χ, y, ζ) die Raumladungsdichte in dem betrachteten Gebiet ist. Genaugenommen ist ein Beitrag der beweglichen Ladungsträger eingeschlossen, aber dieser kann vernachlässigt werden. Die Berechnung unterliegt den folgen- 40 nung der Raumladung in die Zone mit dem höheren den Randbedingungen: spezifischen Widerstand nicht begrenzt sein sollte

durch das Auftreffen auf eine Zone von verhältnismäßig niedrigem Widerstand.

Alle diese Raumformen, in denen die Oberfläche, die vom pn-übergang geschnitten wird, so geformt ist, daß keine Tangente an einer Zone dieser Oberfläche zwischen der Durchtrittslinie des pn-Überganges und der Durchtrittslinie der Raumladungszone in die Zone mit höherem spezifischen Widerstand

Feldes im Halbleiterkörper bzw. im umgebenden 50 einen Winkel mit der Oberfläche des pn-Überganges Medium sind, senkrecht zu den Grenzen zwischen bildet, der 0° überschreitet, haben eine maximale den beiden Medien, und E₁" und E₂" die Kompo- Oberflächenfeldstärke, die gleich oder geriner ist als

(a) K₁ > K₂

(b) an der Grenze zwischen dem Halbleiterkörper und dem umgebenden Medium ist

wobei E₁+, E₂+ die Komponenten des elektrischen

nenten parallel zu dieser Grenze. Die beiden Integrationskonstanten werden durch die folgenden Grenzbedingungen erhalten:

jene, die in der entsprechenden Kurve, F i g. 9 a angegeben ist.

Während einige Raumformen an der Randfläche eine Feldstärke aufweisen, die gleich oder größer ist als die maximale Feldstärke im Inneren des Halbleiterbauelements, ergibt sich bei einer großen Anzahl von Ausbildungsformen eine merkliche Verminderung der Feldstärke an der Randfläche verglichen mit der maximalen Feldstärke.

Aus der beschriebenen Bemessungsregel ergibt sich für den Fachmann, daß es nach der Lehre der Erfindung erforderlich ist, von einem Halbleiterbau-

derstand und der Seite mit dem niedrigen spezifi- 65 element auszugehen, bei dem ein gleichrichtender fischen Widerstand des Halbleiterkörpers berechnet pn-übergang zwischen zwei schichtförmigen Zonen wird. Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps ge-

Eine weitere Möglichkeit der Berechnung ist die bildet ist, über die eine Sperrspannung abfällt und

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(c) Die Spannungen an den Kanten der Raumladungszone S_n und S_e werden gleich V_n bzw. V_e gesetzt, so daß V_n-V₆ die angelegte Sperrspannung ist.

(d) ///F_n ρ Oc, y, z)

wobei das Volumenintegral über die Raumladungszone auf der Seite mit dem hohen spezifischen Wi-

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bei dem eine abgeschrägte Randfläche auf der ganzen von annähernd 40 Mikrometer zu erzeugen. Die

Länge der Durchtrittsstelle dieses an die Oberfläche Oberflächenkonzentration des Galliums beträgt

tretenden pn-Überganges vorhanden ist. Nach der 2 · 10¹⁸ Atome/cm². Eine Oberflächenseite der Scheibe

Lehre der Erfindung soll nun die abgeschrägte Rand- wird geläppt mit 600er !Carborundum in Wasser, um fläche sich über mindestens den Teil der Ausdehnung 5 die galliumdotierte Schicht zu entfernen. Dann wird

der Raumladungszone in eine dieser Zonen erstrek- die Scheibe auf 1200° C erwärmt und um nicht mehr

ken, wenn an das Halbleiterbauelement eine der als 20° C pro Minute abgekühlt, um sicherzustellen,

Durchbruchspannung entsprechende Sperrspannung daß die nichtkennzeichnenden Fremdstoffe in der

angelegt wird. Der spezifische Widerstand und die gestörten Oberflächenschicht durch Getterwirkung Dicke dieser einen Zone mit abgeschrägter Rand- io aufgefangen werden. Die Oberflächen der Scheibe

fläche sind dabei so bemessen, daß die abgeschrägte werden in bekannter Weise durch stromloses Ver-

Randfläche sich über die Raumladungszone erstreckt. nickein metallisiert. Das Nickel wird mit einer dün-

Ferner nimmt in den Teilen des Halbleiterbau- nen Wachsschicht überzogen. Die Scheibe wird nun

elements, deren Entfernung von der Durchtrittsstelle mit der p-Zone zuunterst auf einem Drehtisch be-

des pn-Überganges dieselbe Größenordnung hat wie 15 festigt, und ein Luftstrahl, der Al₂O₃-Teilchen mit

die Ausdehnung der Raumladungszone, die Dicke 10 Mikrometer Durchmesser enthält, auf die HaIb-

der Zone mit der abgeschrägten Randfläche recht- leiterscheibe gerichtet, die während dieser Bearbei-

winklig zum pn-übergang mit Annäherung an die tung rotiert. Mit einem Luftdruck von 2,11 kg/cm²

Durchtrittsstelle des pn-Überganges ab. und einem Düsendurchmesser von 0,254 mm wurde,

Eine exakte Berechnung der relativen Feldstärke 20 wenn der Luftstrahl in einem Winkel von 40° mit an der Oberfläche verglichen mit der maximalen der Horizontalen auf die Scheibe gerichtet wurde, ein Feldstärke im Innern des Halbleiterkörpers irgend- Winkel von 30° zwischen der abgeschnittenen Randeines Halbleiterbauelementes mit pn-übergang kann, fläche des Halbleiterbaüelementes und der Horizonwenn notwendig, durch die oben beschriebene Me- talen erhalten. Das Halbleiterbauelement in der Form thode vorgenommen werden. Es wurde gefunden, 25 eines abgeschnittenen Konus wird mit der n-Zone daß eine Abschwächung der Feldstärke an der Ober- nach unten auf eine Grundplatte aufgelötet und ein fläche auf einen Wert, der annähernd 0,4 der maxi- Draht an die p-Zone angelötet. Das Halbleiterbaumalen Feldstärke nicht überschreitet, ausreichend ist, element wird nun 10 Sekunden lang in einem Ätzum Durchschläge an der Randfläche von Silicium- mittel der Zusammensetzung von 250 cm³ konzengleichrichtern auszuschließen, deren Arbeitsspan- 30 trierter HNO₃ mit 150 cm³ konzentrierter HF in nung im Bereich von 500 bis 3000 V liegt. 150 cm³ Eisessig mit 3 cm³ Brom (»The Sylvania

Die gewünschte Gestalt des Halbleiterkörpers kann Technologist«, Bd. 11 [1958], Heft 2, S. 50 bis 58) durch eine Vielzahl von Methoden erhalten werden. geätzt und in fließendem entionisiertem Wasser ge-Beispielsweise können die Zonen epitaktisch nieder- waschen. Die Kennlinie dieses Halbleiterbauelemengeschlagen werden unter Benutzung einer geeigneten 35 tes ist in Fig. 10 dargestellt. Zum Vergleich zeigt Maske, die sicherstellt, daß die Oberfläche der An- Fig. 11 die Kennlinie eines nicht gegetterten, galliumordnung die gewünschte Form hat. Ein ebenso diffundierten Halbleiterbauelementes, das sonst mit brauchbares Verfahren ist die Herstellung einer Halb- der zuvor beschriebenen Ausführungsform identisch leiterscheibe, die einen pn-übergang parallel zur ist. Die Kennlinie eines gegetterten Halbleiterbau-Oberfläche enthält, mit Hilfe der konventionellen 40 elementes, das von derselben Halbleiterscheibe ab-Diffusionstechnik und anschließendem Ätzen von geschnitten ist, aus der das in Fig. 10 dargestellte Mesas der gewünschten Form. Die erforderliche Ab- Halbleiterbauelement hergestellt wurde, aber mit schrägung erhält man durch geradliniges Abschrägen einer Gestalt, die durch Abschneiden und Ätzen nach nach innen von zumindest dem Material auf der Seite den konventionellen Methoden erhalten wurde, und des pn-Uberganges mit dem höheren spezifischen 45 nicht nach dem Verfahren gemäß der Erfindung her-Widerstand, obgleich die Abschrägung auf die an- gestellt ist, zeigt die F i g. 12. Die ausgezogene Linie dere Zone ausgedehnt werden kann. Die Abschrä- zeigt die Anfangskennlinie und die unterbrochene gung kann entweder an der Durchtrittsstelle des pn- Linie die Kennlinie des Halbleiterbauelementes nach Überganges oder benachbart dazu auf der Seite des dem Durchgang von 5 mA in Sperrichtung.
Halbleiterkörpers mit dem höheren spezifischen Wi- 50 Fig. 13 zeigt die Durchschlagspannungen einer derstand beginnen. Die Abschrägung muß nicht ge- Reihe von Halbleiterbauelementen, die in der oben radlinig sein, vorausgesetzt, daß die erforderliche beschriebenen Weise hergestellt wurden, aber mit Menge von Material abgetragen wird. Es ist eine verschiedenen Winkeln zwischen der abgeschrägten Schutzschicht, zumindest über der Oberfläche des Randfläche und den Oberflächenseiten des HaIb-Durchtrittes des pn-Überganges, vorgesehen, die bei- 55 leiterbauelementes. Die Kreise bezeichnen stabile spielsweise aus einer Schicht von Siliciumoxyd oder Halbleiterbauelemente gemäß der Fig. 13a, die einem geeigneten Lack besteht. durch ein Arbeiten im Bereich II (F i g. 4) nicht an-

Es wurde gefunden, daß eine besonders geeignete gegriffen werden, während die Pfeile Halbleiterbau-Methode zum Herstellen von Halbleiterbauelementen elemente kennzeichnen, die sich durch diese Begemäß der Erfindung das Sandstrahlen ist, um eine 60 handlung verschlechtern.

bestimmte Form zu erhalten. Ein spezielles Beispiel Die unterbrochene Linie veranschaulicht das Vereines solchen Halbleiterbauelementes soll im folgen- halten von Halbleiterbauelementen, in denen der den beschrieben werden: Sinn des Winkels umgekehrt ist, so daß ein spitzer

Gallium wird in eine Siliciumscheibe von 20 bis Winkel zwischen der p-Zonen-Oberfläche (mit nie-

40 Ohm.cm eindiffundiert unter Benutzung einer 65 drigem spezifischen Widerstand) und der Oberfläche

Ga₂O₃-Quelle und einem Trägergas, das aus H₂ und des Halbleiterbauelementes gebildet wird, an welcher

H₂O (10 mm Hg) besteht, um einen pn-übergang auf der pn- Übergang hindurchtritt,

beiden Oberflächenseiten der Scheibe in einer Tiefe In einem anderen Beispiel wurde eine Scheibe von

100 Ohm.cm p-Silicium chemisch poliert und eine Schicht von 0,076 mm Dicke aus stark dotiertem n-Silicium auf eine Oberfläche epitaxial niedergeschlagen. Dann wurden einzelne Zonen aus stark dotiertem p-Silicium von 0,076 mm Stärke auf der entgegengesetzten Oberfläche aufgebracht. Die n-Zone wurde mit Hilfe von Karborundum leicht geläppt und die Scheibe durch Erhitzen auf 1200⁰C gegettert und schließlich um 25° C pro Minute abgekühlt. Dann wurde in der Scheibe eine Anzahl von rechtwinklig zueinander verlaufende Vertiefungen ausgeschnitten, und zwar zwischen den einzelnen p-Zonen auf der Oberfläche. Die Tiefe dieser Ausschnitte war so bemessen, daß der Schnitt nicht ganz die epitaxiale η-Schicht erreicht. Das Profil des Schneidwerkzeuges

wurde so gewählt, daß der Winkel zwischen der abgeschrägten Randfläche der Halbleiteranordnung und der η-Schicht zwischen 25 und 35° betrug. Die teilweise geschnittene Scheibe ist in F i g. 14 dargestellt.

Die einzelnen Halbleiterbauelemente wurden mit Hilfe eines Scherdruckes von der Platte abgebrochen und zwar so, daß die Bruchlinien entlang des Bodens der Vertiefungen verlaufen. Die Halbleiterbauelemente wurden dann mit Kontakten versehen und in bekannter Weise montiert. Alle diese Gleichrichter zeigten einen scharfen »Durchschlag« bei über 1600 V.

Die einzelnen Halbleiterbauelemente, die in der oben beschriebenen Weise hergestellt wurden, werden in bekannter Weise aufgebaut.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

P atentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem gleichrichtenden pn-übergang zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps und unterschiedlichen spezifischen Widerstandes, bei dem die gesamte Randfläche der Zone höheren spezifischen Widerstandes mindestens an der Durchtrittsstelle der pn-Übergangsfläche an die Oberfläche des Halbleiterkörpers gegen die pn-Übergangsfläche einen Winkel von weniger als 90° aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zone höheren spezifischen Widerstandes größer ist als die Dicke der sich in diese Zone bei Anlegen einer Spannung annähernd gleich der Durchschlagspannung des pn-Uberganges ausdehnenden Raumladungszone, daß der Halbleiterkörper zumindest an der Durchtrittsstelle der pn-Übergangsfläche an die Randfläche mit einer Schutzschicht überzogen ist, deren Dielektrizitätskonstante wesentlich kleiner als die des Halbleiterkörpers ist, und daß der Winkel von weniger als 90° so an den spezifischen Widerstand und die Dicke der Zonen angepaßt ist, daß ein Oberflächendurchschlag ausgeschlossen ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Zonen enthaltende Halbleiterkörper bezüglich einer Achse, die im rechten Winkel durch die pn-Ubergangsfläche verläuft, symmetrisch ausgebildet ist.

3. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper die Form eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes hat.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silicium besteht.

5. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiterkörper nach der Diffusion zur Herstellung der Zonen durch Läppen eine Schicht mit Gitterstörungen erzeugt und der Halbleiterkörper anschließend auf eine zum Gettern unerwünschter Fremdstoffe in der Schicht ausreichende Temperatur von 1200° C erhitzt wird.