DE1564920B2 - CONDUCTOR ARRANGEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING IT - Google Patents
CONDUCTOR ARRANGEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING ITInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, bestehend aus einer Parallelschaltung zweier verschiedener Dioden, von denen die erste eine Durchbruchspannung aufweist, die unterhalb derjenigen der zweiten Diode liegt.The invention relates to a semiconductor arrangement consisting of a parallel connection of two different ones Diodes, the first of which has a breakdown voltage below that of the second diode.
Es ist bereits eine Trockengleichrichtereinheit bekannt, die aus einer Vielzahl in Reihe geschalteten Gleichrichtern besteht. Jedem Gleichrichter ist ein Nebengleichrichter parallel geschaltet. Diese Anordnung dient der Vergleichmäßigung der Spannungsaufteilung auf die in Reihe geschalteten Gleichrichterelemente. A dry rectifier unit is already known which consists of a plurality of series-connected Rectifiers. A secondary rectifier is connected in parallel to each rectifier. This arrangement serves to equalize the voltage distribution on the rectifier elements connected in series.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiteranordnung zu schaffen, bei der der irreversible Durchbruch einer Schottkydiode verhindert wird.The object of the invention is to create a semiconductor arrangement in which the irreversible Breakdown of a Schottky diode is prevented.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Halbleiteranordnung der oben beschriebenen Art die Erfindung darin, daß die erste Diode eine Diode mit einem pn-übergang ist, während die zweite Diode eine Metall-Halbleiterdiode ist.To solve this problem, there is a semiconductor arrangement of the type described above Invention is that the first diode is a diode with a pn junction, while the second diode is a metal semiconductor diode.
Die Parallelschaltung einer Metall-Halbleiter-Diode, einer sogenannten Schottkydiode, mit einer diffundierten Diode hat den wesentlichen Vorteil, daß sich das Diodenpaar in Durchlaßrichtung wie eine Schottkydiode verhält, d. h. die Schaltzeiten des Diodenpaares sind extrem kurz. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Schwellspannung der Schottkydiode in Durchlaßrichtung wesentlich kleiner gemacht werden kann als der einer diffundierten Diode, so daß in Durchlaßrichtung die Schottkydiode praktisch den ganzen fließenden Strom übernimmt. Wird das Diodenpaar dagegen in Sperrichtung betrieben, so sind die Dioden so ausgelegt, daß die Diode mit pn-übergang bereits bei einer Spannung in den Durchbruch gelangt, die unter dem Wert der Durchbruchspannung der Metall-Halbleiter-Diode liegt. Diese Diode mit pn-übergang wirkt somit als Durchbruchsschutz für die Schottkydiode, da sie ein Ansteigen der Spannung bis zur Durchbruchspannung der Schottkydiode verhindert und in einer Schaltung auftretende Uberspannungsspitzen gefahrlos über sie abgeführt werden.The parallel connection of a metal-semiconductor diode, a so-called Schottky diode, with a diffused diode has the significant advantage that the pair of diodes in the forward direction as a Schottky diode behaves, d. H. the switching times of the diode pair are extremely short. This is upon it attributed to the fact that the threshold voltage of the Schottky diode in the forward direction is much smaller can be made as that of a diffused diode, so that in the forward direction the Schottky diode takes over practically all of the current flowing. If, on the other hand, the pair of diodes is operated in reverse direction, the diodes are designed in such a way that the diode with pn junction is already at a voltage breaks down, which is below the value of the breakdown voltage of the metal-semiconductor diode lies. This diode with a pn junction thus acts as a breakdown protection for the Schottky diode, since it is a Rise in voltage up to the breakdown voltage of the Schottky diode is prevented and in one Circuit surge voltage peaks that occur can be safely discharged via them.
Somit wird durch den reversiblen Lawinendurchbruch der Diode mit einem pn-übergang der irreversible Durchbruch der Schottkydiode verhindert. Vorteilhafterweise wird man die beiden Dioden unter Verwendung eines gemeinsamen Halbleiterkörpers in integrierter Form herstellen und so eine verbesserte Schottkydiode aus einem einzigen Bauelement fertigen.As a result of the reversible avalanche breakdown of the diode with a pn junction, the irreversible breakdown of the Schottky diode is prevented. The two diodes are advantageously used using a common semiconductor body in an integrated form, and so one Manufacture improved Schottky diodes from a single component.
Für die Fertigung der beschriebenen Halbleiteranordnung eignen sich verschiedene Halbleitermaterialien, wie Silizium oder Germanium. Das Material und die Dotierung des Halbleiters muß dabei so gewählt werden, daß ein auf diesen Halbleiterkörper aufgebrachter Metallkontakt einen gleichrichtenden Kontakt bildet. Auf die in den Halbleiterkörper eindiffundierte Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp wird dagegen ein ohmscher Kontakt aufgebracht. Der ohmsche und der gleichrichtende Kontakt werden zur Parallelschaltung der beiden Bauelemente elektrisch leitend miteinander verbunden.Various semiconductor materials are suitable for the production of the semiconductor arrangement described, like silicon or germanium. The material and the doping of the semiconductor must be chosen so that one on this semiconductor body applied metal contact forms a rectifying contact. On the in the In contrast, a zone of the opposite conductivity type diffused into the semiconductor body becomes an ohmic one Contact applied. The ohmic and the rectifying contact become a parallel connection of the two components are connected to one another in an electrically conductive manner.
Zur Überprüfung der Halbleiteranordnung wurde das Schaltverhalten einer handelsüblichen Schottkydiode und einer Diode mit diffundiertem pn-übergang einzeln und in paralleler Zusammenschaltung bestimmt. Als Maß für das Schaltverhalten wurde aus dem Oszillogramm die gesamte rückgeflossene Ladung bestimmt, wenn vom 100-mA-Flußstrom so in den Sperrzustand geschaltet wird, daß in Sperrrichtung ein maximaler Spitzenstrom von 100 mA fließen kann. Bei Schottkydioden kann im allgemeinen nicht wie bei diffundierten Dioden eine Schaltzeit angegeben werden, da sie praktisch keine Speicherzeit besitzen.The switching behavior of a commercially available Schottky diode was used to check the semiconductor arrangement and a diode with a diffused pn junction individually and in parallel connection certainly. As a measure of the switching behavior, the total returned from the oscillogram The charge is determined when the 100 mA flow current is switched to the blocking state in such a way that it is in the blocking direction a maximum peak current of 100 mA can flow. In the case of Schottky diodes, in general a switching time cannot be specified, as is the case with diffused diodes, since it is practically nonexistent Own storage time.
Als Ergebnis der Versuche ergab sich für eineAs a result of the experiments, it was found for one
ίο Schottkydiode eine rückgeflossene Ladung von Qr = 105 ρ Coul., für eine diffundierte schnelle Schaltdiode wurde eine Ladung Qr = 202 ρ Coul. gemessen. Bei der Kombination der beiden Dioden in paralleler Schaltweise ergab sich eine rückgeflossene Ladung von Qr = 132 ρ Coul. Aus diesem Ergebnis sieht man zunächst einmal, daß die Schottkydiode einen nur halb so großen Ladungsrückfluß aufweist wie die schnellste derzeit gebaute diffundierte Diode. Die Diodenkombination hat nur einen um 30% höheren Rückfluß als die reine Schottkydiode. Diese geringfügige Verschlechterung wird hauptsächlich durch die Kapazität der verwendeten ('] Schutzdiode verursacht. Durch optimale Dimensio- J nierung der Schutzdiode läßt sich das oben angegebene Maßergebnis noch verbessern, wobei praktisch nur die Kapazität dieser Diode klein gehalten werden muß, während die Schaltzeit dieser Schutzdiode unkritisch ist.ίο Schottky diode a returned charge of Qr = 105 ρ Coul., for a diffused fast switching diode a charge Q r = 202 ρ Coul. measured. When the two diodes were combined in parallel, the charge returned was Q r = 132 ρ Coul. From this result one can see first of all that the Schottky diode has a charge return flow that is only half as large as the fastest diffused diode currently built. The diode combination only has a 30% higher reflux than the pure Schottky diode. This slight deterioration is mainly caused by the capacitance of the (used '] protection diode. Through optimal dimensioning J of the protective diode discrimination can the Maßergebnis above mentioned still improve, with virtually only the capacitance of this diode must be kept small, while the switching time of the protective diode is not critical.
Die Erfindung soll noch an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail using two exemplary embodiments.
In Fig. 1 ist die Parallelschaltung der beiden Dioden dargestellt. Die F i g. 2 und 3 zeigen in angeschnittener, perspektivischer Darstellung zwei Halbleiteranordnungen, bei denen eine Schottkydiode und eine Diode mit diffundiertem pn-übergang in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sind. Die F i g. 4 bis 6 erläutern noch ein Verfahren zur Herstellung einer diffundierten Diode mit pn-Ubergang, deren Durchbruchspannung kleiner ist als die der Metall-Halbleiter-Diode.In Fig. 1, the parallel connection of the two diodes is shown. The F i g. 2 and 3 show in cut, perspective view of two semiconductor arrangements in which a Schottky diode and a diode with a diffused pn junction are integrated in a common semiconductor body. the F i g. 4 to 6 also explain a method of production a diffused diode with a pn junction, the breakdown voltage of which is lower than that of the Metal semiconductor diode.
F i g. 1 zeigt die Parallelschaltung einer Metall-Halbleiter-Diode 1 mit einer diffundierten pn-Diode 2. ,F i g. 1 shows the parallel connection of a metal-semiconductor diode 1 with a diffused pn diode 2.,
In F i g. 2 befindet sich auf einem hochdotierten Trägerkörper 3 aus n++-leitendem Silizium eine η-leitende Zone 4, die an ihrer Oberfläche mit einer Oxydschicht 5, beispielsweise aus Siliziumoxyd oder aus Siliziumdioxyd, abgedeckt ist. In einem Bereich der Halbleiteroberfläche wird in die η-leitende Zone 4 eine p-leitende Zone 6 eindiffundiert. Dazu wird in die Oxydschicht ein Diffusionsfenster eingebracht, das in seiner Größe der Größe der einzudiffundierenden Zone entspricht. Danach wird die Oxydschicht 5 auf der Halbleiteroberfläche wieder vervollständigt.In Fig. 2, an η-conductive zone 4 is located on a highly doped carrier body 3 made of n + + -conducting silicon, the surface of which is covered with an oxide layer 5, for example made of silicon oxide or silicon dioxide. In a region of the semiconductor surface, a p-conductive zone 6 is diffused into the η-conductive zone 4. For this purpose, a diffusion window is made in the oxide layer, the size of which corresponds to the size of the zone to be diffused. Thereafter, the oxide layer 5 is completed again on the semiconductor surface.
Anschließend wird an den Stellen 7 und 8 der Halbleiteroberfläche die Oxydschicht wieder entfernt. Zur Bildung eines Metall-Halbleiterkontaktes bzw. zur Kontaktierung der p-leitenden Zone 6 wird dann auf die Halbleiteroberfläche eine Metallschicht 9 aufgedampft. Diese Schicht bildet im Bereich 7 der Halbleiteroberfläche einen gleichrichtenden Kontakt und im Bereich 8 der p-leitenden Zone 6 einen ohmschen Kontakt. Die beiden Kontakte sind durch auf der Oxydschicht verlaufende Teile der Metallschicht V elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Schicht 9, die vorteilhafterweise aus Gold oder Kupfer bei einer η-leitenden Siliziumschicht 4 besteht, bildet den einen Kontakt der parallel geschaltetenThe oxide layer is then removed again at points 7 and 8 on the semiconductor surface. To the Formation of a metal-semiconductor contact or for contacting the p-conductive zone 6 is then on the semiconductor surface a metal layer 9 is vapor-deposited. This layer forms in area 7 of the semiconductor surface a rectifying contact and an ohmic contact in the area 8 of the p-conducting zone 6 Contact. The two contacts are through parts of the metal layer V running on the oxide layer electrically connected to one another. The layer 9, which is advantageously made of gold or There is copper in an η-conductive silicon layer 4, forms one contact of the parallel-connected
Dioden, während die Unterseite 10 des Trägerkörpers 3, der beiden Dioden gemeinsam ist, als zweiter Kontakt dient und, wie auch die Metallschicht 9, mit einer der Elektrodenzuleitungen in einem Gehäuse verbunden wird. Dazu kann der Trägerkörper 3 an seiner Unterseite 10 gleichfalls mit einer einen ohmschen Kontakt bildenden Metallschicht 11 versehen werden.Diodes, while the underside 10 of the support body 3, the two diodes is common as The second contact is used and, like the metal layer 9, with one of the electrode leads in is connected to a housing. For this purpose, the carrier body 3 can also be used on its underside 10 be provided with a metal layer 11 forming an ohmic contact.
Die F i g. 3 zeigt ein zweites Bauelement, das aus der Parallelschaltung einer Schottkydiode mit einer diffundierten Diode besteht. Auf einem n+ +-dotierten Trägerkörper 3 aus Silizium befindet sich eine η-leitende, epitaktisch gebildete Schicht 12. Die Oberfläche der Schicht 12 ist wiederum mit einer Oxydschicht 5 bedeckt, in die ein ringförmiges Fenster eingebracht wird, durch das anschließend eine ringförmige, p-leitende Zone 13 eindiffundiert wird. Danach wird der innerhalb des p-Diffusionsringes liegende Teil der Oxydschicht entfernt und in diese Kreisfläche ein Metallkontakt 14 eingebracht, der sich sowohl auf die η-leitende Zone 12 als auch auf die eindiffundierte, p-leitende Zone 13 erstreckt. Mit der Zone 12 bildet die Metallschicht 14 einen gleichrichtenden Kontakt und somit eine Schottkydiode, während sie die p-leitende Zone 13 ohmisch kontaktiert. In einem Gehäuse muß die Metallschicht 14 mit der einen und der Trägerkörper 3 an seiner Unterseite 10 mit der anderen Elektrodenzuleitung sperrfrei kontaktiert werden.The F i g. 3 shows a second component which consists of the parallel connection of a Schottky diode with a diffused diode. An η-conductive, epitaxially formed layer 12 is located on an n + + -doped carrier body 3 made of silicon. p-conductive zone 13 is diffused. Then the part of the oxide layer lying within the p-diffusion ring is removed and a metal contact 14 is introduced into this circular area, which extends to both the η-conductive zone 12 and the diffused p-conductive zone 13. The metal layer 14 forms a rectifying contact with the zone 12 and thus a Schottky diode, while it makes ohmic contact with the p-conductive zone 13. In a housing, the metal layer 14 must be contacted with one electrode lead and the carrier body 3 on its underside 10 with the other electrode lead.
Die F i g. 4 bis 6 zeigen Dotierungsdiagramme zur Erläuterung der verschiedenen Verfahren, um diffundierte Dioden mit pn-übergang herzustellen, deren Abbruchspannung kleiner ist als die der Schottkydiode. Solche pn-Übergänge müssen entweder einen abrupten Übergang aufweisen oder in unmittelbarer Nähe einer hochdotierten Schicht angeordnet sein. Durch eine hohe Dotierung beiderseits des pn-Überganges wird die für den Lawinendurchbruch notwendige Feldstärke bereits bei relativ niederen Spannungen erreicht, da sich die Raumladungszone mit wachsender Spannung nur schwach ausweitet.The F i g. 4 to 6 show doping diagrams to explain the various methods of diffusing To produce diodes with a pn junction, the breakdown voltage of which is lower than that of the Schottky diode. Such pn junctions must either have an abrupt transition or in be arranged in the immediate vicinity of a highly doped layer. Due to a high level of doping on both sides of the pn junction, the field strength required for the avalanche breakdown is already at relative reached lower voltages, since the space charge zone with increasing voltage only weakly expands.
In den Diagrammen ist entlang der Ordinate die Dotierungskonzentration im logarithmischen Maßstab und an der Abszisse der Abstand von der Oberfläche aufgetragen.In the diagrams, the doping concentration is on a logarithmic scale along the ordinate and the distance from the surface is plotted on the abscissa.
Bei dem Verfahren gemäß F i g. 4 geht man von einem Halbleiterkörper oder einer Halbleiterzone mit einer n-Grunddotierung (15) von beispielsweise 1014 At/cm3 aus. In diese Zone wird eine gleichfalls η-leitende Zone (16) derart eindiffundiert, daß an der Oberfläche eine höhere Störstellenkonzentration, beispielsweise von 1017 At/cm3 entsteht und diese Konzentration ins Innere des Halbleiterkörpers hin langsam abnimmt. Danach wird in diese n-leitende Zone eine p-leitende Zone eindiffundiert, die an der Oberfläche höchste Störstellenkonzentration, beispielsweise 1021 At/cm3, aufweist, die ins Innere des Halbleiterkörpers hin rasch abnimmt. Auf Grund dieser Maßnahme ergibt sich, wie aus dem Diagramm nach Fig. 4 hervorgeht, eine Störstellenverteilung (Funktion 17) mit einem pn-übergang mit sehr steilem Gradienten und damit einer niederen Abbruchsspannung. In the method according to FIG. 4, a semiconductor body or a semiconductor zone with an n-type basic doping (15) of, for example, 10 14 at / cm 3 is assumed. A likewise η-conductive zone (16) is diffused into this zone in such a way that a higher concentration of impurities, for example 10 17 at / cm 3, arises on the surface and this concentration slowly decreases towards the interior of the semiconductor body. A p-conductive zone is then diffused into this n-conductive zone, which has the highest concentration of impurities on the surface, for example 10 21 At / cm 3 , which rapidly decreases towards the interior of the semiconductor body. As a result of this measure, as can be seen from the diagram according to FIG. 4, an impurity distribution (function 17) with a pn junction with a very steep gradient and thus a low breakdown voltage results.
In F i g. 5 ist der Verlauf 18 der Störstellenkonzentration einer η-leitenden Epitaxieschicht dargestellt, die zur Oberfläche des Halbleiterkörpers hin stark abnimmt. Durch Eindiffusion einer p-leitenden Zone mit einer Störstellenverteilung nach Funktion 19 ergibt sich durch Addition der beiden Funktionen 18 und 19 die resultierende Funktion 20, die einen pn-übergang mit sehr großem Gradienten anzeigt, wobei die Störstellenkonzentration am pn-übergang größer ist als an der Oberfläche des Halbleiterkörpers, so daß die Abbruchspannung der so hergestellten diffundierten Diode kleiner ist als die der Schottkydiode.In Fig. 5 shows the course 18 of the impurity concentration of an η-conductive epitaxial layer, which decreases sharply towards the surface of the semiconductor body. By diffusing in a p-conducting zone with an impurity distribution according to function 19 results from adding the two functions 18 and 19 the resulting function 20, which indicates a pn junction with a very large gradient, where the concentration of impurities at the pn junction is greater than at the surface of the semiconductor body, so that the breakdown voltage of the diffused diode produced in this way is smaller than that of the Schottky diode.
Beim Diagramm nach F i g. 6 wird wiederum von einer η-leitenden Epitaxieschicht (Funktion 21) ausgegangen. Die Epitaxieschicht hat eine relativ geringe und gleichmäßige Dotierung und ist auf eine hochdotierte, η-leitende Schicht (Funktion 22) aufgebracht. Durch Eindiffusion einer p-leitenden Zone ergibt sich der resultierende Verlauf 23 der Störstellenkonzentration. Dabei wurde die p-Zone so eindiffundiert, daß der pn-übergang in der unmittelbaren Nähe der hochdotierten Zone gebildet wird. Dadurch kann sich die Raumladungszone bei wachsender Sperrspannung nur wenig ausdehnen, die Feldstärke steigt rasch an und die Diode geht bereits bei niederen Sperrspannungen in den Durchbruchbereich. In the diagram according to FIG. 6, an η-conductive epitaxial layer (function 21) is again assumed. The epitaxial layer has a relatively low and uniform doping and is based on a highly doped, η-conductive layer (function 22) applied. By diffusing in a p-conducting zone the resulting curve 23 of the impurity concentration results. The p-zone was diffused in such a way that that the pn junction is formed in the immediate vicinity of the highly doped zone. As a result, the space charge zone can only expand slightly when the reverse voltage increases, the field strength increases rapidly and the diode already goes into the breakdown range at low reverse voltages.
Die diffundierten Dioden können sowohl aus einem η-leitenden als auch aus einem p-leitenden Halbleitergrundkörper bestehen, in den dann die Zone vom entsprechenden entgegengesetzten Leitungstyp eingelassen wird. Der gleichrichtende Schottky-Metallkontakt wird gleichfalls auf den Grundkörper aufgebracht und bildet mit diesem eine Schottkydiode.The diffused diodes can consist of both an η-conducting and a p-conducting Semiconductor base bodies exist, in which then the zone of the corresponding opposite conductivity type is admitted. The rectifying Schottky metal contact is also on the Applied base body and forms with this a Schottky diode.
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