DE1489087B1

DE1489087B1 - Halbleiterbauelement mit verbessertem Frequenzverhalten und Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE1489087B1
Application number: DE1964L0049102
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl-Phys Ginsbach
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1964-10-24
Filing date: 1964-10-24
Publication date: 1970-09-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit verbessertem Frequenzverhalten, das in mindestens einer Halbleiterzone mehrere Bereiche mit Rekombinationszentren in hoher und in niedriger Konzentration enthält.
In vielen Fällen bestimmt das Frequenzverhalten der Halbleiterbauelemente deren Einsatzmöglichkeit. Wenn ein periodischer oder aperiodischer Wechsel von Durehlaß- in Sperrbeanspruchung und umgekehrt mit hoher Folgezahl vorliegt, ist das Umschaltverhalten maßgebend für die obere Frequenzgrenze und beschränkt dadurch die Einsatzmöglichkeit der Bauelemente.
Insbesondere für Halbleiterbauelemente, die für Hochleistungsbetrieb geeignet sind, ist diese Frequenzgrenze relativ niedrig, wenn nicht auf Kosten der Leistungsgrößen die Frequenzgrenze nach größeren Werten hin verschoben wird. Das die Frequenzgrenze bestimmende Umschaltverhalten von Halbleiterbauelementen ergibt sich aus den physikalischen, technologischen und konstruktiven Gegebenheiten, die bei der Herstellung der Halbleiterbauelemente weitgehend beeinflußt werden können.
Es sind bereits Halbleiterbauelemente bekannt, bei denen das Frequenzverhalten verbessert wird, indem die Ladungsträgerlebensdauer verkürzt wird. In diesen bekannten Anordnungen wird jedoch mit der Verbesserung des Frequenzverhaltens zugleich die Ladungsträgerkonzentration und damit die mögliche Stromdichte verringert, so daß das Leistungsverhalten ungünstiger wird.
Solche bekannten Anordnungen werden erzielt, indem über die gesamte Oberfläche einer Zone, z. B. durch Diffusion bestimmter, Störstellen hervorrufender Stoffe oder durch mechanische Einwirkungen, das Kristallgitter im Volumen dieser einen p- oder n-leitenden Zone gestört wird, wodurch eine erhöhte Ladungsträger-Rekombination gewährleistet wird.
Alle die nach diesen bekannten Verfahren gefertigten Halbleiterbauelemente zeigen nur einen Teilerfola ' da mit der bisher erzielten Verbesserung des Frequenzverhaltens gleichzeitig eine Verringerung des Leistungsverhaltens verbunden ist.
Es sind nun auch Halbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren bekanntgeworden, bei denen dieser Nachteil schon weitgehend beseitigt ist. Bei Transistoren zeigt sich der erwähnte Nachteil daran, daß zum Erzielen einer hohen Verstärkung gerade eine lange Lebensdauer der Ladungsträger mindestens in der Basiszone und insbesondere in demjenigen Teil derselben Zone notwendig ist, der zwischen der Emitter- und der Kollektorzone liegt.
Ein bekannter Legierungstransistor zum Schalten mit einem scheibenförmigen n- oder p-leitenden Halbleiterkörper aus einem Einkristall (deutsche Auslegeschrift 1110765), mit auf beiden Oberflächen des Halbleiterkörpers einlegierten gegenüberliegenden Emitter- und Kollektorelektroden und mit einer ringförmigen Basiselektrode, ist zur Vermeidung des erwähnten Nachteils so aufgebaut, daß die Basiszone des Halbleiterkörpers zwischen Emitter- und Kollektorelektrode und außerhalb dieses Bereichs so unterschiedlich mit Rekombinationszentren-Aktivatoren dotiert ist, daß die Lebensdauer der Ladungsträger außerhalb des zwischen den Emitter- und Kollektorelektroden liegenden Bereichs der Basiszone wesentlich herabgesetzt ist.
Bei einem weiteren bekannten Transistor zum Schalten (österreichische Patentschrift 226 780) wird dieser Aufbau dadurch erzielt, daß ein Emitterkontaktmaterial auf den Halbleiterkörper aufgeschmolzen und durch dieses eine Verunreinigung in den Körper eindiffundiert wird, welche den Leitungstyp des Körpers örtlich umkehrt, wobei ein Material verwendet wird, das praktisch frei von die Lebensdauer verkürzenden Verunreinigungen ist, so daß diese wenigstens unterhalb der Emitterzone aus der diffundierten Basiszone abgesaugt werden.
Bei diesen angeführten Transistoren ist in mindestens einer Zone ein einziger geschlossen zusammenhängender Bereich mit Rekombinationszentren hoher Konzentration vorhanden, welcher wenigstens einen Bereich mit Zentren geringer Konzentration umgibt. Der Bereich mit Rekombinationszentren geringer Konzentration erfüllt den Teil des Halbleiterkörpervolumens, in welchem ein hoher Verstärkungsgrad erwünscht ist und eine hohe Stromdichte ermöglicht werden soll. In diesem Bereich werden also Rekombinationszentren in hoher Konzentration tunlichst vermieden.
Es ist ferner ein Halbleiterbauelement mit mindestens einem pn-Übergang bekannt, das als Widerstandsbauelement mit einem ohmschen Widerstand, der sich bei zunehmender Spannung derart ändert, daß die Stromstärke konstant bleibt, verwendbar ist (deutsche Auslegeschrift 1043 472). Dieses Bauelement weist im Gegensatz zu den vorerwähnten Transistoren innerhalb des Sperrschichtgebietes des pn-überganges einen einzigen Bereich mit Rekombinationszentren in höherer Konzentration als in den angrenzenden Bereichen auf. Damit soll bei dem Bauelement die erforderliche Stromstabilisierung erzielt werden, eine Problemstellung, die derjenigen bei den vorerwähnten Transistoren sowie der Aufgabe, welche der Erfindung zugrunde liegt, nahezu völlig entgegengesetzt ist.
Des weiteren ist ein Verfahren zum Behandeln von Transistoren, um die Lebensdauer der Ladungsträger, insbesondere in der Kollektorzone, durch Rekombination zu verringern, bekannt (deutsche Auslcgeschrift 1160 543). Diesem Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, den Ladungsträgern in der Basiszone eine lange Lebensdauer zu erteilen, um eine hohe Stromausbeute zu erreichen und den Ladungsträgern in der Kollektorzone eine kurze Lebensdauer zu geben, um Speichereffekte möglichst gering zu halten. Nach dem Verfahren wird bei einem npn-Transistor durch ein allseitiges Eindiffundieren bestimmter Verunreinigungen in den Halbleiterkörper, wie z. B. Gold, in geringer Konzentration die Lebensdauer der Ladungsträger in den verschiedenen Zonen derart selektiv herabgesetzt, daß die Rekombinationsrate der Ladungsträger nur in der Kollektorzone erhöht wird, aber die Stromverstärkung des Transistors erhalten bleibt. Es wird dabei die Eigenschaft ausgenutzt, daß bestimmte Verunreinigungen in Zonen entgegengesetzten Leitungstyps ganz unterschiedliche Rekombinationsraten hervorrufen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art das Frequenzverhalten zu verbessern ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Im besonderen soll bei einem Thyristor - einem Vierzonen-Halbleiterbauelement - ein verbessertes Frequenzverhalten durch Herabsetzung der Freiwerdezeit erzielt werden, ohne die Durchlaßeigenschaft des Thyristors zu verschlechtern. Kleine Ströme im Bauelement, wie z. B. der überhöhte Sperrstrom beim Löschen des Thyristors, sollen möglichst schnell abklingen, während große Ströme ohne zusätzliche Verzögerung einschaltbar sein sollen und ungehindert durch das Bauelement fließen sollen. Ein Thyristor ist bekanntlich als ein aus zwei komplementären Transistoren zusammengesetztes Bauelement aufzufassen, in dem die Basiszone des einen Transistors mit der Kollektorzone des anderen Transistors identisch ist. Die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens bei einer solchen Transistorkombination führt bei allseitiger Eindiffusion von Verunreinigungen in die Kombination dazu, daß zwar die Lebensdauer der Ladungsträger in den beiden Innenzonen herabgesetzt wird, die Stromverstärkung der beiden Transistoren aber ebenfalls herabgesetzt wird, oder führt dazu, daß die genau entgegengesetzte Wirkung erzielt wird. Dadurch wird das Ausschaltverhalten auf Kosten des Einschalt- und Durchlaßverhaltens verbessert oder umgekehrt. Andererseits sollen auch nach der Lehre, die bei den zuvor erwähnten bekannten Transistoren angewendet wird, Rekombinationszentren in großer Konzentration wenigstens im stromführenden Bereich von Transistoren vermieden werden.
Die Erfindung sieht als Lösung dieser Aufgabe vor, daß innerhalb des stromdurchflossenen Volumens des Halbleiterbauelementes voneinander getrennte Bereiche oder ein gitterartig zusammenhängender Bereich mit Rekombinationszentren in gegenüber dem angrenzenden Volumen der Halbleiterzone bzw. -zonen höherer Konzentration angeordnet sind und daß das gesamte Volumen dieser Bereiche bzw. dieses Bereiches höchstens 50 % des Volumens der Halbleiterzone bzw. -zonen beträgt.
In überraschend einfacher Weise werden bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement die bei den nach den bisher bekannten Verfahren hergestellten Halbleiterbauelementen auftretenden Nachteile vermieden.
. Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung besteht darin, daß die Rekombinationsbereiche durch Strahlungseinwirkung oder durch Diffusion von Gold, mittels Maskierungstechnik erzeugt werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung haben die -, Rekombinationsbereiche einen gegenseitigenAbstand von mindestens der zweifachen Diffusionslänge der Ladungsträger.
An Hand von zwei Ausführungsbeispielen, die in den F i g. 1 und 2 dargestellt sind, wird nun die Erfindung eingehend erläutert.
F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine elektrodenfreie Thyristorscheibe mit rasterförmigen Rekombinationsbereichen an der Kathodenseite; F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Kathodenseite der Thyristorscheibe nach F 1 g. 1.
In der F i g. 1 ist ein Fünfzonen-Thyristor dargestellt, bei dem die Schichtenfolge 1, 2, 3, 4, 5 den Leitungstyp n+, p, n, p, p+ aufweist. Auf der Kathodenseite sind, wie in F i g. 2 dargestellt, zwei zueinander senkrechte Raster mit Bereichen 7 hoher Rekombinationszentrendichte, sogenannte Rekombinationsbereiche bestimmter räumlicher Ausdehnung, dadurch gebildet, daß mittels Maskierungstechnik nur in einen Teil der Kathodenseite Rekombinationszentren eindiffundiert werden. Die Oberflächenanteile, die der Eindiffusion oder einer anderen geeigneten Behandlungsart entzogen werden, sind mit einer Maskierung 6 versehen. Die Eindiffusion oder die entsprechende Behandlung bewirkt eine Störung des Gitters und erzeugt damit Rekombinationsbereiche vorbestimmter Ausdehnung.
Das Umschaltverhalten des Halbleiterbauelements hängt im wesentlichen von der Ausräumung der Ladungsträger aus der kritischen Schicht ab, denn erst mit entsprechender Ladungsträgerverarmung befindet sich das HaIbleiterbauelement in nichtstromführendem Zustand. Mit dem Abschalten des Injektionsstromes ist keine abrupte Unterbrechung des Stromflusses im Halbleiterbauelement bewirkt, da die in der kritischen Schicht befindlichen Ladungsträger eine sogenannte Aufladeerscheinung zeigen und bis zur endgültigen Ausräumung durch Abfließen oder Rekombination den Strom aufrechterhalten. Die nun vorsätzlich erzeugten Rekombinationszentren fangen ab einer bestimmten Konzentrationsgrenze die Ladungsträger ein und verringern somit die Lebensdauer der Ladungsträger und die Zeitdauer der endgültigen Ausräumung der freien Ladungsträger.
Bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung nehmen von einer bestimmten Stromdichte-Schwelle an die gezielt hergestellten Bereiche hoher Rekombinationszentrendichte die Ladungsträger in solchem Anteil auf, daß ein nahezu schlagartiges Ausräumen der freien Ladungsträger gegeben ist.
Um die gewünschte Wirkung zu erzielen, ohne die Leistungsgrößen zu beeinträchtigen, ist es erforderlich, daß das Volumen der Rekombinationsbereiche höchstens 50 % des Volumens der die Rekombinationsbereiche enthaltenden Zone oder Zonen ausmacht.
Die Bereiche hoher Rekombinationszentrendichte werden in vorteilhafter Weise durch vorbestimmte Strahlungseinwirkung oder Diffusion mittels Maskierungstechnik erzielt. Zur Diffusion ist besonders Gold geeignet, während als Maskierungsmuster sowohl die punktgitterförmige, eine rasterförmige als auch eine konzentrische symmetrische oder asymmetrische Maskierung mit für besondere Fälle speziellen Vorteil Verwendung finden können.
Die Tiefenausdehnung der Rekombinationsbereiche soll so festgelegt sein, daß bei Vielschichtelementen alle die pn-übergänge unbeeinflußt bleiben, deren Sperreigenschaften im Betrieb ausgenutzt werden. Die Volumenausdehnung der Rekombinationsbereiche soll sowohl die Bedingung zum Auffangen der Ladungsträger erfüllen als auch eine maximale Fangfläche aufweisen und gleichzeitig einen gegenseitigen Abstand der Bereiche von mindestens zweifacher Diffusionslänge der Ladungsträger gewährleisten.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin,-daß die Rekombinationsbereiche in ihrer Volumenausdehnung oder Rekombinationszentrendichte zu einem bestimmten Punkt der die Rekombinationsbereiche enthaltenden Zone oder Zonen hin eine Zunahme oder Abnahme aufweisen. Des weiteren können solche Bereiche erhöhter Rekombinationszentrendichte jeweils in den entgegengesetzten äußeren Zonen angebracht werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Halbleiterbauelement mit verbessertem Frequenzverhalten, das in mindestens einer Halbleiterzone mehrere Bereiche mit Rekombinationszentren in hoher und in niedrigerer Konzentration enthält, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des stromdurchflossenen Volumens des Halbleiterbauelementes voneinander getrennte Bereiche oder ein gitterartig zusammenhängender Bereich (7) mit Rekombinationszentren in gegenüber dem angrenzenden Volumen der Halbleiterzone bzw. -zonen höherer Konzentration angeordnet sind und daß das gesamte Volumen dieser Bereiche bzw. dieses Bereiches höchstens 50 % des Volumens der Halbleiterzone bzw. -zonen beträgt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche (7) einen gegenseitigen Abstand von mindestens der zweifachen Diffusionslänge der Ladungsträger aufweisen. 3. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche (7) in ihrer Tiefenausdehnung so festgelegt sind, daß bei Vielschichtenelementen der oder die in ihrer Sperrwirkung betriebenen pn-übergänge von den Rekombinationsbereichen nicht beeinflußt werden. 4. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche (7) so ausgebildet sind, daß die Volumen dieser Bereiche jeweils eine Ausdehnung aufweisen, durch die sowohl die Bedingungen zum Einfangen der Ladungsträger erfüllt als auch eine maximale Fangfläche erreicht wird. 5. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche (7) in ihre Volumenausdehnung oder Rekombinationszentrendichte zu einem bestimmten Punkt der die Rekombinationsbereiche enthaltenden Zone (1) oder Zonen (1, 2) hin eine Zunahme aufweisen. 6. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche (7) in ihrer Volumenausdehnung oder Rekombinationszentrendichte zu einem bestimmten Punkt der die Rekombinationsbereiche enthaltenden Zone (1) oder Zonen (1, 2) hin eine Abnahme aufweisen. 7. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vielschichtenelementen jeweils in den beiden äußeren Zonen (1, 2) Bereiche mit erhöhter Rekombinationszentrendichte vorhanden sind. 8. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vielschichtenelementen jeweils in den beiden, an den entgegengesetzten Enden liegenden äußeren Zonen (1, 2; 4, 5), Bereiche (7) mit erhöhter Rekombinationszentrendichte vorhanden sind. 9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rekombinationsbereiche (7) jeweils über einen von der Oberfläche aus ersten pn-übergang erstrecken. 10. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche durch Strahlungseinwirkung oder durch Diffusion von Gold mittels Maskierungstechnik erzeugt werden. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche über eine punktgitterförmige Maskierung erzeugt werden. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche über eine rasterförmige Maskierung erzeugt werden. 13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche über ein symmetrisches Maskierungsmuster erzeugt werden. 14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche über ein asymmetrisches Maskierungsmuster erzeugt werden. 15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsbereiche über ein konzentrisches Maskierungsmuster erzeugt werden.