DE1564920C - Halbleiteranordnung und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, aus dem Oszillogramm die gesamte rückgeflossene bestehend aus einer Parallelschaltung zweier ver- Ladung bestimmt, wenn vom 100-mA-Flußstrom so schiedener Dioden, von denen die erste eine Durch- in den Sperrzustand geschaltet wird, daß in Sperrbruchspannung aufweist, die unterhalb derjenigen richtung ein maximaler Spitzenstrom von 100 mA der zweiten Diode liegt. 5 fließen kann. Bei Schottkydioden kann im allgemei-

Es ist bereits eine Trockengleichrichtereinheit be- nen nicht wie bei diffundierten Dioden eine Schalt-

kannt, die aus einer Vielzahl in Reihe geschalteten zeit angegeben werden, da sie praktisch keine

Gleichrichtern besteht. Jedem Gleichrichter ist ein Speicherzeit besitzen.

Nebengleichrichter parallel geschaltet. Diese Anord- Als Ergebnis der Versuche ergab sich für eine

nung dient der Vergleichmäßigung der Spannungs- io Schottkydiode eine rückgeflossene Ladung von

aufteilung auf die in Reihe geschalteten Gleich- Q_T = 105 ρ Coul., für eine diffundierte schnelle

richterelemente. Schaltdiode wurde eine Ladung Q_r = 202 ρ Coul.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiter- gemessen. Bei der Kombination der beiden Dioden

anordnung zu schaffen, bei der der irreversible in paralleler Schaltweise ergab sich eine rückgeflos-

Durchbruch einer Schottkydiode verhindert wird. 15 sene Ladung von Q_r — 132 ρ Coul. Aus diesem Er-

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer gebnis sieht man zunächst einmal, daß die Schottky-

Halbleiteranordnung der oben beschriebenen Art die diode einen nur halb so großen Ladungsrückfluß

Erfindung darin, daß die erste Diode eine Diode mit aufweist wie die schnellste derzeit gebaute diffun-

einem pn-übergang ist, während die zweite Diode dierte Diode. Die Diodenkombination hat nur einen

eine Metall-Halbleiterdiode ist. 20 um 30% höheren Rückfluß als die reine Schottky-

Die Parallelschaltung einer Metall-Halbleiter- diode. Diese geringfügige Verschlechterung wird

Diode, einer sogenannten Schottkydiode, mit einer hauptsächlich durch die Kapazität der verwendeten

diffundierten Diode hat den wesentlichen Vorteil, Schutzdiode verursacht. Durch optimale Dimensio-

daß sich das Diodenpaar in Durchlaßrichtung wie nierung der Schutzdiode läßt sich das oben ange-

eine Schottkydiode verhält, d. h. die Schaltzeiten des 25 gebene Maßergebnis noch verbessern, wobei prak-

Diodenpaares sind extrem kurz. Dies ist darauf tisch nur die Kapazität dieser Diode klein gehalten

zurückzuführen, daß die Schwellspannung der werden muß, während die Schaltzeit dieser Schutz-

Schottkydiode in Durchlaßrichtung wesentlich klei- diode unkritisch ist.

ner gemacht werden kann als der einer diffundierten Die Erfindung soll noch an Hand zweier AusDiode, so daß in Durchlaßrichtung die Schottkydiode 30 führungsbeispiele näher erläutert werden,
praktisch den ganzen fließenden Strom übernimmt. In Fig. 1 ist die Parallelschaltung der beiden Wird das Diodenpaar dagegen in Sperrichtung be- Dioden dargestellt. Die F i g. 2 und 3 zeigen in angetrieben, so sind die Dioden so ausgelegt, daß die schnittener, perspektivischer Darstellung zwei HaIb-Diode mit pn-übergang bereits bei einer Spannung leiteranordnungen, bei denen eine Schottkydiode und in den Durchbruch gelangt, die unter dem Wert der 35 eine Diode mit diffundiertem pn-übergang in einem Durchbruchspannung der Metall-Halbleiter-Diode gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sind. Die liegt. Diese Diode mit pn-übergang wirkt somit als F i g. 4 bis 6 erläutern noch ein Verfahren zur Her-Durchbruchsschutz für die Schottkydiode, da sie ein stellung einer diffundierten Diode mit pn-übergang, Ansteigen der Spannung bis zur Durchbruchspan- deren Durchbruchspannung kleiner ist als die der nung der Schottkydiode verhindert und in einer 4° Metall-Halbleiter-Diode.

Schaltung auftretende Überspannungsspitzen gefahr- F i g. 1 zeigt die Parallelschaltung einer Metalllos über sie abgeführt werden. Halbleiter-Diode 1 mit einer diffundierten pn-

Somit wird durch den reversiblen Lawinendurch- Diode 2.

brach der Diode mit einem pn-übergang der In F i g. 2 befindet sich auf einem hochdotierten

irreversible Durchbruch der Schottkydiode verhin- 45 Trägerkörper 3 aus n⁺+-leitendem Silizium eine

dert. Vorteilhafterweise wird man die beiden Dioden η-leitende Zone 4, die an ihrer Oberfläche mit einer

unter Verwendung eines gemeinsamen Halbleiter- Oxydschicht 5, beispielsweise aus Siliziumoxyd oder

körpers in integrierter Form herstellen und so eine aus Siliziumdioxyd, abgedeckt ist. In einem Bereich

verbesserte Schottkydiode aus einem einzigen Bau- der Halbleiteroberfläche wird in die η-leitende Zone 4

element fertigen. 50 eine p-leitende Zone 6 eindiffundiert. Dazu wird in die

Für die Fertigung der beschriebenen Halbleiter- Oxydschicht ein Diffusionsfenster eingebracht, das anordnung eignen sich verschiedene Halbleiter- in seiner Größe der Größe der einzudiffundierenmaterialien, wie Silizium oder Germanium. Das den Zone entspricht. Danach wird die Oxydschicht 5 Material und die Dotierung des Halbleiters muß auf der Halbleiteroberfläche wieder vervollständigt, dabei so gewählt werden, daß ein auf diesen Halb- 55 Anschließend wird an den Stellen 7 und 8 der Halbleiterkörper aufgebrachter Metallkontakt einen leiteroberfläche die Oxydschicht wieder entfernt. Zur gleichrichtenden Kontakt bildet. Auf die in den Bildung eines Metall-Halbleiterkontaktes bzw. zur Halbleiterkörper eindiffundierte Zone vom ent- Kontaktierang der p-leitenden Zone 6 wird dann auf gegengesetzten Leitungstyp wird dagegen ein ohm- die Halbleiteroberfläche eine Metallschicht 9 aufge-' scher Kontakt aufgebracht. Der ohmsche und der 60 dampft. Diese Schicht bildet im Bereich 7 der Halbgleichrichtende Kontakt werden zur Parallelschal- leiteroberfläche einen gleichrichtenden Kontakt und rung der beiden Bauelemente elektrisch leitend mit- im Bereich 8 der p-leitenden Zone 6 einen ohmschen einander verbunden. Kontakt. Die beiden Kontakte sind durch auf der

Zur Überprüfung der Halbleiteranordnung wurde Oxydschicht verlaufende Teile der Metallschicht

das Schaltverhalten einer handelsüblichen Schottky- 65 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die

diode und einer Diode mit diffundiertem pn-Über- Schicht 9, die vorteilhafterweise aus Gold oder

gang einzeln und in paralleler Zusammenschaltung Kupfer bei einer η-leitenden Siliziumschicht 4 besteht,

bestimmt. Als Maß für das Schaltverhalten wurde bildet den einen Kontakt der parallel geschalteten

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.

Die Fig. 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.

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.

In den Diagrammen ist entlang der Ordinate die Dotierungskonzentration im logarithmischen Maßstab und an der Abszisse der Abstand von der Oberfläche aufgetragen.

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/cm^s aus. In diese Zone wird eine gleichfalls η-leitende Zone (16) derart eindiffundiert, daß an der Oberfläche eine höhere Störstellenkonzentration, beispielsweise von 10¹⁷ At/cm^s entsteht und diese Konzentration ins Innere des Halbleiterkörpers Mn langsam abnimmt. Danach wird in diese n-leitende Zone eine p-leitende Zone eindiffundiert, die an der Oberfläche höchste Störstellenkonzentration, beispielsweise 10²¹ At/cm^s, 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 Fi 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.

ίο 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.

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.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung, bestehend aus einer Parallelschaltung zweier verschiedener Dioden, von denen die erste eine Durchbruchspannung aufweist, die unterhalb derjenigen der zweiten Diode liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diode eine Diode mit einem pn-übergang ist, während die zweite Diode eine Metall-Halbleiterdiode ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Halbleiter-Diode mit der Diode mit einem pn-übergang derart parallel geschaltet ist, daß beim Anlegen einer Spannung an die beiden parallel geschalteten Dioden beide Dioden entweder in Sperrrichtung oder in Durchlaßrichtung betrieben werden.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dioden in integrierter Form in einem gemeinsamen Halbleiterkörper untergebracht sind.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diode einen eindiffundierten pn-übergang aufweist

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Oberflächenbereich (7) einer Halbleiterzone (4) bestimmten Leitungstyps ein Metallkontakt aufgebracht ist, der mit dem Halbleitermaterial einen gleichrichtenden Kontakt bildet, daß in einen anderen Oberflächenbereich (8) der Halbleiterzone eine zweite Zone (6) vom entgegengesetzten Leitungstyp eingelassen und diese Zone mit einem ohmschen Metallkontakt ver-

sehen ist, der mit dem gleichrichtenden Metallkontakt elektrisch leitend verbunden ist.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Halbleiterzone (12) bestimmten Leitungstyps von einer Oberflächenseite aus eine ringförmige Zone (13) vom entgegengesetzten Leitungstyp eingelassen und auf beide Zonen ein gemeinsamer Metallkontakt (14) aufgebracht ist, der mit der Zone bestimmten Leitungstyp einen gleichrich- xo tenden Kontakt und mit der Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp einen ohmschen Kontakt bildet.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone bestimmten Leitungstyps aus η-leitendem Silizium und der gleichrichtende Metallkontakt aus Gold besteht.

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone bestimmten Leitungstyps eine Epitaxieschicht ist.

9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zone bestimmten Leitungstyps auf einem hochdotierten Trägerkörper aus Halbleitermaterial befindet.

10. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß, um einen diffundierten pn-übergang herzustellen, dessen Abbruchspannung unter dem Wert der Abbruchspannung der Metall-Halbleiter-Diode liegt, in einen Halbleiterkörper mit einer Grunddotierung des einen Leitungstyps eine Zone des gleichen Leitungstyps jedoch höherer Störstellenkonzentration und in diese Zone eine Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp höchster Oberflächenkonzentration und geringer Eindringtiefe eindiffundiert wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Epitaxieschicht vom einen Leitungstyp mit einem Störstellengradienten zur Oberfläche von dieser Oberfläche aus eine Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp eindiffundiert wird, so daß die Störstellenkonzentration der Zone vom einen Leitungstyp am pn-übergang größer ist als an der Oberfläche, an der sie in einem Bereich mit einem gleichrichtenden Metallkontakt versehen wird.

12. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in eine dünne Epitaxieschicht vom einen Leitungstyp eine Zone vom anderen Leitungstyp soweit eindiffundiert wird, daß der pn-übergang in der unmittelbaren Nähe des hochdotierten Trägerkörpers vom einen Leitungstyp entsteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen