DE1439954C3 - Halbleiterbauelement für Halbleitergleichrichter und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Description

ίο Wird an ein Halbleiterbauelement mit pn-Übergang eine elektrische Spannung in Sperrichtung angelegt, dann hat die Spannungs-Stromkennlinie etwa den in F i g. 1 der Zeichnung wiedergegebenen Verlauf. Wenn die an das Halbleiterbauelement angelegte Spannung ansteigt, ist der durch das Halbleiterbauelement in Sperrichtung hindurchgehende Strom zunächst verhältnismäßig klein, bis die Spannung einen Wert Vt erreicht, bei welchem der sogenannte »Lawineneffekt« eintritt und der durchgelassene Strom bei einer weiteren, relativ kleinen Zunahme der Spannung erheblich ansteigt. Dieser theoretische Zustand tritt jedoch, außer bei besonders ausgebildeten Halbleiterbauelementen, nicht ein, weil bei einer bestimmten Spannung, die kleiner als Kl ist und beispielsweise den Wert V2 hat, ein Oberflächendurchbruch bzw. ein Überschlag an demjenigen Teil des pn-Überganges erfolgt, wo dieser an die Oberfläche des Halbleiterbauelementes tritt. Das Ergebnis ist, daß die Spannungs-Stromkennlinie jenseits des Spannungswertes V2 nicht der in F i g. 1

durch die ausgezogene Linie wiedergegebenen theoretischen Kurve, sondern der gestrichelten Kurve folgt. Es kann vorkommen, daß dieser Oberflächendurchbruch im Gegensatz zu dem Lawineneffekt nicht umkehrbar ist und die Eigenschaften des Halbleiterbauelementes bleibend zerstört werden, so daß die Vorteile des Lawineneffektes bei einem solchen Halbleiterbauelement nicht erzielt werden.

Nachdem dieses Problem erkannt war. sind Versuche gemacht worden, um durch zweckentsprechende Ausbildung des Halbleiterbauelementes die Durchbruchspannung an der Oberfläche auf ein Wert oberhalb desjenigen Wertes heraufzusetzen, bei dem der Lawineneffekt eintritt.

Es ist eine Ausführung von Halbleiterbauelementen versucht worden, bei welcher zufolge der Eigenschaften von p- und n-leitfähigen Materialien des Halbleiterbauelementes die Oberflächendurchbruchspannung des Halbleiterbauelementes in seiner nahe dem Umfangsteil des pn-Übergangs liegenden Zone größer als die Lawinenspannung des pn-Übergangs im Inneren des Elementes ist. Dabei werden die geforderten Charakteristiken dadurch erhalten, daß das Material, welches sich in der Nähe der Oberfläche des Halbleiterbauelementes in dem nahe dem Umfangsteil des pn-Übergangs liegenden Bereich befindet, eine kleinere Leitfähigkeit erhält, als die Leitfähigkeit einer der Materialien, die den im Inneren des Halbleiterbauelementes liegenden Teil des pn-Übergangs bilden. Die dadurch erhaltene Wirkung besteht darin, daß bei einer solchen Ausführung sich eine Ladungsträgerverarmungsschicht am Umfang des pn-Übergangs über eine größere Strecke als im inneren Bereich des pn-Übergangs ausdehnt und führt zu dem Ergebnis, daß ein umkehrbarer Durchbruch zufolge des im Inneren des Halbleiterbauelemenies auftretenden Lawineneffektes erfolgt, bevor ein irreversibler Oberflächendurchbruch am Umfang des pn-Überganges auftreten kann. Unter Ladungsträgerverarmungsschichl ist die Schicht zu verstehen.

die im wesentlichen frei von beweglichen Ladungsträgern, wie Elektronen oder Defektelektronen ist und Ionen enthält, von denen sich die beweglichen Ladungsträger statistisch gelöst haben; für diese Schicht ist auch die Bezeichnung »Raumladungszone« gebräuchlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement für Halbleitergleichrichter zu schaffen, das im Vergleich zu bekannten Halbleitergleichrichtern eine erhöhte Sicherheit gegenüber Oberflächenüberschlägen aufweist.

Die Erfindung geht dabei von einem aus der GB-PS 7 53 133 bekannten Halbleiterbauelement für Halbleitergleichrichter in Form einer Scheibe mit parallelen Stirnflächen und einer oder mehr als einer die Stirnflächen verbindenden Umfangsfläche aus, das einen ersten Bereich des einen Leitfähigkeitstyps und einen zweiten den ersten Bereich teilweise umgebenden Bereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, dessen Umfangsteil durch Diffusion gebildet ist, und das einen mehrteiligen pn-Übergang zwischen den Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auf zwei Wegen gelöst:

Erstens durch ein Halbleiterbauelement der vorgenannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der erste Bereich einen hohen spezifischen Widerstand aufweist und n-leitfähig ist; der zweite Bereich einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist und p-leitfähig ist; der pn-Übergang aus einem ersten Teil besteht, der zur einen Stirnfläche benachbart verläuft und aus einem zweiten Teil besieht, der an der Umfangsfläche und sich zu dieser in gleicher Richtung erstreckend angeordnet ist und daß der dem zweiten Teil des pn-Übergangs benachbarte p-leitfähige Bereich einen Verunreinigungsradienten aufweist, der kleiner ist als der Verunreinigungsgradient des dem ersten Teil des pn-Übergangs benachbarten p-leitfähigen Bereichs.

Zweitens durch ein Halbleiterbauelement der vorgenannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der erste Bereich einen hohen spezifischen Widerstand aufweist und n-leitfähig ist: der zweite Bereich einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist und p-leitfähig ist; der pn-Übergang aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil besteht; der erste Teil des pn-Übergangs der einen Stirnfläche der Scheibe benachbart und der zweite Teil des pn-Übergangs der anderen Stirnfläche benachbart und sich zu dieser in gleicher Richtung erstreckend angeordnet ist und daß die Dicke des n-leitfähigen Bereichs an dieser Stelle kleiner ist als die durch die Dotierung bedingte Dicke der Ladungsirägerverarmungsschieht.

Bei dem Halbleiterbauelement nach dem zweiten Weg gemäß der Erfindung würde sich im n-leitfähigen Bereich normalerweise eine Ladungsträgerverarnungsschicht bestimmter Dicke ausbilden. Zur Ausbildung der Ladungsträgerverarmungsschicht in dieser -orm und Dicke kann es in der Nähe des zweiten Teies des pn-Übergangs jedoch nicht kommen, da sich iieser Teil des pn-Übergangs zu nahe an der benachbarten Stirnfläche des Halbleiterbauelements befindet.

Die Oberflächendurchbruchspannung der beiden Kusführungsformen von Halbleiterbauelementen genäß der Erfindung ist gegenüber derjenigen bekannter 4albleiterbauelemente erheblich erhöht worden.

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit len Zeichnungen beispielsweise erläutert.

F i g. 2 veranschaulicht ein Halbleiterbauelement mit einem einzigen pn-Übergang;

F i g. 3 ist eine Querschnittsansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Halbleiterbauelementes mit einem einzigen pn-Übergang;

F i g. 4 zeigt eine Ausführung eines Halbleiterbauelementes mit mehreren pn-Übergängen;

F i g. 5, 6 und 7 sind Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen.

Ein Halbleiterbauelement 3, wie in F i g. 2 dargestellt,

ίο ist aus einer Scheibe 6 aus Molybdän, einer Scheibe 7 aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, einer Scheibe

8 aus einer Goldlegierung und einem Wolframkontakt

9 zu einem Schichtkörper zusammengesetzt. Der Wolframkontakt 9 ist durch Erhitzung der Goldlegierung der Scheibe 8 an einen Halbleiterkörper 3a angelötet, und die Scheibe 7 ist an die Scheibe 6 angeschmolzen. Außerdem ist die Scheibe 7 mit dem Halbleiterkörper 3a verbunden, wodurch an einer der Stirnflächen des Halbleiterbaukörpers 3a ein Bereich 10 des p-Leitfähigkeitstyps entsteht. Zusammen mit einem zuvor gebildeten am Umfang des Halbleiterkörpers 3a angeordneten p-leitfähigen Bereich 4 ist eine p-leitfähige Mantelzone geschaffen, wobei der pn-Übergang an der einen der sich gegenüberliegenden Stirnflächen des Halbleiterkörpers 3a an die Oberfläche tritt.

Das in F i g. 3 wiedergegebene Halbleiterbauelement 20 weist einen n-leitfähigen Bereich mit hohem spezifischen Widerstand auf. Das scheibenförmige Halbleiterbauelement 20 weist sich gegenüberliegenden Stirnflächen 21 und 22 auf, zwischen denen sich eine Umfangsfläche 23 erstreckt. Über die untere Stirnfläche 22 und die Umfangsfläche 23 erstreckt sich eine Mantelzone 24, die p-leitfähig ist und einen geringen spezifischen Widerstand aufweist, so daß zwischen der Mantelzone 24 und dem inneren n-leitfähigen Bereich ein pn-Übergang 25 entstanden ist, der an der oberen Stirnfläche 21 des Halbleiterbauelements 20 bei 26 an die Oberfläche tritt.

Die Gestalt der Grenze einer im n-leitfähigen Bereich des Halbleiterbauelements vorhandenen Ladungsträgerverarmungsschicht ist durch eine gestrichelte Linie 27 angedeutet. Es ist ersichtlich, daß die Dicke a der Ladungsträgerverarmungsschicht in der Nähe der Stirnfläche 22 wesentlich kleiner ist als die Strecke oder der Abstand b zwischen den Austrittsstellen des pn-Übergangs und der Ladungsträgerverarmungsschicht an der Stirnfläche 21, und diese Ausbildung ist darauf zurückzuführen, daß gemäß der Erfindung der der Mantelzone 24 benachbarte p-leitfähige Bereich einen kleineren Verunreinigungsgradienten aufweist als der der Stirnfläche 22 benachbarte p-leitfähige Bereich. Dies führt dazu, daß im Betrieb des Halbleiterbauelements die Lawinenspannung im mittleren Teil des pn-Übergangs kleiner ist als die Durchbruchspannung am Umfangsteil des pn-Übergangs, so daß der Lawinendurchbruch im Innern des Halbleiterkörpers auftritt, bevor die kritische Überschlagspannung an der Oberfläche des Halbleiterbauelements erreicht wird.

In Fig.4 ist ein mehrere pn-Übergänge aufweisendes Halbleiterbauelement 30 dargestellt. Das Halbleiterbauelement 30, das auf einen Hauptanodenkontakt 31 aufgelötet ist, weist einen ersten n-leitfähigen Bereich 32 von hohem spezifischen Widerstand auf.

Das Halbleiterbauelement 30 weist sich gegenüberliegende Stirnflächen 33 und 34 auf, zwischen denen sich eine Umfangsfläche 35 erstreckt. Oberhalb der Stirnfläche 33 und innerhalb der Umfangsfläche 35 erstreckt

sich ein zweiter Bereich 36, der derart behandelt ist, daß zwischen dem Bereich 36, der p-Ieitfähig ist, und dem inneren n-leitfähigen Bereich 32 ein pn-Übergang

37 aus zwei Teilen geschaffen ist, dessen Umfangsleil oder zweiter Teil an der ringförmigen Stirnfläche 34 des ersten Bereichs 32 des Halbleiterbauelements bei

38 an die Oberfläche tritt. Hinsichtlich der Verteilung des Verunreinigungsgradienten und damit der Ausbildung der Ladungsträgerverarmungsschicht sind die Halbleiterbauelemente gemäß den F i g. 3 und 4 einander entsprechend aufgebaut.

Das Halbleiterbauelement 30 hat einen vorspringenden mittig angeordneten Teil 40, der eine p-leitfähige Schicht 41 aufweist, die ihrerseits zusammen mit dem n-leitfähigen Bereich 32 einen weiteren pn-Übergang '5 42 bildet. Der vorspringende Teil 40 ist, wie dargestellt, an seinem Umfang 44 bei 43 hinterschnitten.

In der Mitte des vorspringenden Teils 40 ist ein ohmscher Kontakt 45 befestigt, der einen Torkontakt des Halbleiterbauelements 30 darstellt. Eine den Torkontakt 45 im Abstand umgebende ringförmige n-lcitfähige Schicht 46 bildet zusammen mit der unmittelbar unter ihr liegenden p-leitfähigen Schicht 41 einen zusätzlichen pn-Übergang 47. An der Schicht 46 ist eine zusätzliche ringförmige ohmsche Verbindung 48 befestigt. <Jie einen Hauptkathodenkontakt für das fertige Halbleiterbauelement 30 nach F i g. 4 darstellt.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 weist ein Halbleiterbauelement 80 eine n-leitfähige Scheibe von hohem spezifischen Widerstand auf, welche sich gegenüberliegende Stirnflächen 81 und 82 besitzt, zwischen denen sich eine Umfangsfläche 83 erstreckt. An der unteren Stirnfläche 82 und der Umfangsfläche 83 erstreckt sich ein mantelförmiger zweiter Bereich 84. der derart behandelt worden ist, daß ein p-leitfähiger Bereich von geringem spezifischen Widerstand geschaffen ist, der zwischen sich und dem inneren n-leitfähigen ersten Bereich einen pn-Übergang 85 aus mehreren Teilen bildet, deren zweiter Teil bei 86 an der oberen Stirnfläche 81 des Halbleiterbauelements 80 an die Oberfläche tritt.

Aus F i g. 5 ist ersichtlich, daß der zweite Bereich 84 einen sich längs der oberen Stirnfläche 81 erstreckenden Teil 84a aufweist, so daß der pn-Übergang 85 sich bei 85a von der Umfangsfläche 83 weg in das Innere des Halbleiterbauelements und parallel zu der oberen Stirnfläche 81 erstreckt, bevor er bei 86 an der oberen Stirnfläche 81 an die Oberfläche tritt.

Die Gestalt der Grenze der Ladungsträgerverarmungsschicht im Halbleiterbauelement 80 ist durch die gestrichelte Linie 88 angedeutet. Es ist ersichtlich, daß die Dicke a der Ladungsträgerverarmungsschicht in der Nähe der unteren Stirnfläche 82 erheblich kleiner ist als der Abstand b zwischen der Grenze der Ladungsträgerverarmungsschicht und dem pn-Übergang 85, dort wo diese an der oberen Stirnfläche 81 des Halbleiterbauelements 80 an die Oberfläche treten. Dies ist wiederum durch die örtlich unterschiedliche Verteilung des Verunreinigungsgradienten im p-leitfähigen Bereich bedingt, wie im Zusammenhang mit den ^⁰ F i g. 3 und 4 ausgeführt worden ist.

Nachstehend werden Ausführungsformen beschrieben, bei welchen die Ladungsträgerverarmungsschicht am Umfangsteil des pn-Übergangs noch weiter von der Austrittsstelle des pn-Übergangs entfernt ist. Dadurch ^6s wird die Oberflächendurchbruchspannung noch weiter vergrößert, indem das Halbleitermaterial in der Nähe der Stelle, wo der pn-Übergang an die Oberfläche tritt.

verringert wird, um die Grenze der Ladungsträgcrvcrarmungsschicht im n-lcitfähigen Bereich weiter zu verschieben.

Bei der in F i g. 6 wiedergegebenen Ausführungsform weist ein Halbleiterbauelement 90 einen ersten n-lcitfähigen Bereich von hohem spezifischen Widerstand auf. Das Halbleiterbauelement 90 weist weiterhin sich gegenüberliegende Stirnflächen 91 und 92 auf, zwischen denen sich eine Umfangsfläche 93 erstreckt. Über die untere Stirnfläche 92 und die Umfangsfläche 93 erstreckt sich ein mantelförmiger zweiter Bereich 94, der derart behandelt ist, daß ein p-lcitfähiger Bereich von geringem spezifischen Widerstand geschaffen ist. Zwischen den Bereichen befindet sich ein aus mehreren Teilen bestehender pn-Übergang 95. dessen Umfangsteil an der oberen Stirnfläche 91 des Halbleiterbauelements 90 bei 96 an die Oberfläche tritt.

Aus F i g. 6 ist ersichtlich, daß im Bereich in der Nähe der Umfangsfläche 93 und der unteren Stirnfläche 92 des Halbleiterbauelements 90 ein verdickter Teil 94a des mantelförmigen zweiten Bereichs 94 vorgesehen ist. Dieser verdickte Teil 94a des zweiten Bereichs 94 führt dazu, daß der nahe der Umfangsfläche 93 liegende Teil 95a des pn-Übcrgangs 95. bevor dieser bei 96 an die Oberfläche tritt, sich im Inneren des Halbleiterbauelements 90 in unmittelbarer Nähe der oberen Stirnfläche 91 erstreckt. Die Grenze der Ladungsträgerverarmungsschicht im n-leitfähigen Bereich ist durch eine gestrichelte Linie 98 angedeutet.

Um zu erläutern, was unter dem Ausdruck »unmittelbare Nähe« zu verstehen ist, ist in F i g. 6 durch strichpunktierte Linien 99 die durch die Dotierung bedingte theoretische Grenze der Ladungsträgerverarmungsschicht als tatsächlich vorhanden gezeichnet, und es isl ersichtlich, daß die Ladungsträgerverarmungsschicht dort die Dicke c haben würde, die größer als der Abstand zwischen der pn-Grenzschicht und der benachbarten Stirnfläche des Halbleiterbauelements wäre.

Das Ergebnis dieser Formgebung ist eine Formänderung der Ladungsträgerverarmungsschicht, so daß die Strecke b zwischen der Grenze der Ladungsträgerverarmungsschicht und dem pn-Übergang. dort wo diese an der Stirnfläche 91 des Halbleiterbauelements 90 an die Oberfläche treten, erheblich größer als die Dicke a der Ladungsträgerverarmungsschicht in der Nähe des mittleren Teiles des pn-Übergangs 95 ist.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei welcher der pn-Übergang nicht an einer der sich gegenüberliegenden Stirnflächen des Halbleiterbauelements austritt, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die F i g. 7 beschrieben.

Die in F i g. 7 wiedergegebene Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige gemäß F i g. 6. Der Unterschied besteht lediglich in folgendem: Während bei der Scheibe 90 gemäß F i g. 6 der pn-Übergang 95 bei 96 an der oberen Stirnfläche 91 des Halbleiterbauelements 90 austritt, tritt bei dem Halbleiterbauelement 90' gemäß F i g. 7 der pn-Übergang 95' an der Umfangsfläche 93' des Halbleiterbauelements 90' bei 96' an die Oberfläche.

Das Halbleiterbauelement 90' gemäß F i g. 7 weist einen n-leitfähigen Bereich von hohem spezifischen Widerstand und einen mantelförmigen Bereich 94' auf, der p-leitfähig ist und einen geringen spezifischen Widerstand besitzt. Ein pn-Übergang 95' weist einen zweiten Teil 95a', der im Sinne der gegebenen Definition in unmittelbarer Nähe der oberen Stirnfläche 9Γ des Halbleiterbauelements 90' liegt.

In F i g. 7 ist durch gestrichelte Linien 98' und 99' angedeutet, welche Gestalt die Grenze der Ladungsträgerverarmungsschicht theoretisch aufweisen würde. Die gestrichelte Linie 99' außerhalb des Halbleiterbauelements zeigt an, daß der Abstand zwischen dem zweiten Teil 95a' des pn-Übergangs 95' und der Stirnfläche 91' kleiner ist als die theoretische Dicke oder Ladungsträgerverarmungsschicht in der Nähe des

zweiten Teiles 95a' des pn-Übergangs 95'. Das Ergebnis dieser Ausgestaltung der Ladungsträgerverarmungsschicht ist, daß sich die Ladungsträgerverarmungsschicht an der Oberfläche (an der Stirn- und Umfangsfläche) des Halbleiterbauelements 90' über eine Strecke b ausdehnt, die größer als die Dicke a der Ladungsträgerverarmungsschicht in der Nähe des mittleren Teiles des pn-Übergangs 95' ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

509 584/135

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement für Halbleitergleichrichter in Form einer Scheibe mit parallelen Stirnflächen und einer oder mehr als einer die Stirnflächen verbindenden Umfangsfläche, das einen ersten Bereich des einen Leitfähigkeitstyps und einen zweiten den ersten Bereich teilweise umgebenden Bereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, dessen Umfangsteil durch Diffusion gebildet ist, und das einen mehrteiligen pn-Übergang zwischen den Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich einen hohen spezifischen Widerstand aufweist und n-leitfähig ist: der zweite Bereich einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist und p-leitfähig ist; der pn-Übergang aus einem ersten Teil (25) besteht, der zur einen Stirnfläche benachbart verläuft und aus einem zweiten Teil (26) besteht, der an der Umfangsfläche und sich zu dieser in gleicher Richtung erstreckend angeordnet ist. und daß der dem zweiten Teil (26) des pn-Übergangs benachbarte p-leitfähige Bereich einen Verunreinigungsgradienten aufweist, der kleiner ist als der Verunreinigungsgradient des dem ersten Teil (25) des pn-Übergangs benachbarten p-leitfähigen Bereichs (F i g. 3).

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der p-leitfähige Bereich sich über einen Teil der anderen Stirnfläche (81) derart erstreckt, daß der zweite Teil des pn-Übergangs in Richtung der Umfangsfläche und zum Teil in Richtung der anderen Stirnfläche (81) verläuft und an dieser austritt (F i g. 5).

3. Halbleiterbauelement für Halbleitergleichrichter in Form einer Scheibe mit parallelen Stirnflächen und einer oder mehr als einer die Stirnflächen verbindenden Umfangsfläche, das einen ersten Bereich des einen Leitfähigkeitstyps und einen zweiten den ersten Bereich teilweise umgebenden Bereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, dessen Umfangsteil durch Diffusion gebildet ist, und das einen mehrteiligen pn-Übergang zwischen den Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich einen hohen spezifischen Widerstand aufweist und n-leitfähig ist; der zweite Bereich (94, 94') einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist und p-leitfähig ist: der pn-Übergang aus einem ersten Teil (95') und einem zweiten Teil (95a') besteht; der erste Teil (95') des pn-Übergangs der einen Stirnfläche (92') der Scheibe benachbart und der zweite Teil (95a^f) des pn-Übergangs der anderen Stirnfläche (91') benachbart und sich zu dieser in gleicher Richtung erstreckend angeordnet ist und daß die Dicke des n-leitfähigen Bereichs an dieser Stelle kleiner ist als die durch die Dotierung bedingte Dikke der Ladungsträgerverarmungsschicht (F i g. 7).

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen sich zur Umfangsfläche (93) in gleicher Richtung erstreckenden Teil des pn-Übergangs, der sowohl zur Umfangsfläche (93) als auch zur anderen Stirnfläche (91) benachbart angeordnet ist und an dieser an die Oberfläche (96) tritt (F i g. 6).

5. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 4. gekennzeichnet durch Herstellung des zweiten Bereichs in Form eines den ersten Bereich umschließenden Mantels und durch Abtragen des Mantels an einem Teil oder an der gesamten anderen Stirnfläche zwecks Freilegung des pn-Übergangs an dieser Stirnfläche.