DE1589421C

DE1589421C - Halbleiterventil

Info

Publication number: DE1589421C
Authority: DE
Inventors: Dr Baden Komger. Max Dipl Phys Nußbäumen Gramberg Gerhard, (Schweiz)
Original assignee: Aktiengesellschaft Brown Boveri & Cie, Baden (Schweiz)
Publication date: 1971-01-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterventil, bestehend aus einem monokristallinen Halbleiterkegelstumpf, dessen Grund- und Deckfläche Zonen verschiedenen Leitungstyps sind, die eine dazwischen liegende hochohmige !-Schicht zur Bildung einer NIP-Struktur begrenzen, und dessen Grund- und Deckiiäche an flächenhafte Elektroden angeschlossen sind.

Bekanntlich wird bei Halbleiterventilen hoher Sperrspannung die Durchbruchsspannung nicht nur von der Feldstärke im Volumen, sondern auch von der Spannungsfestigkeit an der Oberfläche der Halbleiterscheibe begrenzt. An der Oberfläche führen bereits viel geringere Feldstärken zum Spannungsdurchbruch als im Volumen des Halbleitermaterials. Für Halbleiterventile mit einer p-n-Struktur ist es bekannt, die maximale Feldstärke an der Oberfläche der Halbleiterscheibe durch eine kegelförmige Abschrägung ihrer Randoberfläche herabzusetzen. Die durch diese Abschrägung hervorgerufene Verminderung der Oberflächenfeldstärke ist von D a ν i e s und Gentry (IEEE-Trans., ED-U, S. 313, Nr. 7, 1964) sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht worden. Für eine Halbleiterscheibe mit p-i-n-Struktur ist es dagegen nicht möglich, durch eine derartige Abschrägung die Oberflächenfeldstärke gleichmäßig herabzusetzen. Vielmehr würde durch eine solche Abschrägung an einer p-i-n-Struktur die Oberflächenfeldstärke über einen großen Bereich der abgeschrägten Randoberfläche stark erniedrigt, in der Nähe des stumpfen Winkels der Abschrägung aber stark erhöht werden. Zur Erklärung dieses Effektes ist in F i g. 1 die Feldverteilung einer solchen Struktur schematisch dargestellt. Durch die Abschrägung des Randes wird eine Verformung der Äquipotentialflächen hervorgerufen, welche im Bereich der hochohmigen i-Zone an der kegelförmigen Oberfläche der Abschrägung zu einem deutlichen Maximum der Oberflächenfeldstärke in der Nähe des dem stumpfen Winkel der Abschrägung zugewandten Überganges führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kegelstumpfförmiges Halbleiterventil hoher Durchbruchfeldstärke zu schaffen, bei dem die Oberflächenfeldstärke in der Nähe des dem stumpfen Winkel, den eine Deckflächengerade mit einer Kegelstumpfmantellinie einschließt, benachbarten Leitungstyp-Übergangs herabzusetzen ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterventil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf die Mantelfläche des Halbleiterkegelstumpfes eine dünne, oberflächige Dotierungsschicht vom gleichen Leitungstyp wie die Zone der Deckfläche aufgebracht ist, wobei die Deckfläche sich auf der verjüngenden Seite des Kegelstumpfes befindet, und weiterhin dadurch daß die Flächendichte der Dotierungsatome dieser Schicht angenähert gleich

tlR — IiF · COS OC

ist, wobei ny die in dem Halbleiterkegelstumpf bei der höchsten, vor Eintreten des Spannungsdurchbruchs erreichbaren Sperrspannung (U₀) an den Rändern der hochohmigen I-Zone in den benachbarten Zonen vom P- und N-Leitungstyp auftretende Flächendichte der Ladungsträger ist und * der Winkel ist, den eine Kegelstumpfmantellinie mit einer in der Grundfläche des Halbleitcrkegelstumpfes liegenden Schnittgeraden bildet.

Ein derartiges Halbleiterventil zeigt ein besseres Sperrspannungsverhalten als Bauelemente vergleichbaren Typs, da die Oberflächenfeldstärke gleichmäßig längs der Kegelstumpfmantellinien herabgesetzt ist. Zur Erläuterung der Wirkung der oberflächigen Dotierungsschicht ist in F i g. 2 die Randzone des Halbleiterkegelstumpfes schematisch im Schnitt dargestellt. Man erkennt die Kontur der parallelen Grund- und Deckflächen 1 und 2 sowie die der Kegelstumpfmantellinie 3. Die hochohmige i-Zone grenzt mit ihren Randflächen 4 und 5 an die anschließenden Zonen vom n- bzw. p-Leitungstyp. Diese hochohmige i-Zone denkt man sich dann in eine zentrale Teilzone I und eine Rand-Teilzone II unterteilt. Gelingt es, in der zentralen Teilzone I ein homogenes Feld herzustellen, so ist die höchste erreichbare Sperrspannung U₀ bestimmt durch die höchste erreichbare Feldstärke E_n vor Eintreten des Spannungsdurchbruchs im Volumen des Halbleitermaterials. Es gilt also ähnlich wie bei einem Plattenkondensator

C ■ . "

1-JV ■·—· ' ,

wobei W die Dicke der hochohmigen i-Zone bedeutet. Die an den Randflächen 4, 5 der hochohmigen i-Zone auftretenden Flächenladungsdichten entsprechen der dielektrischen Verschiebungsdichte D_v des homogenen Feldes

Dv^s- S₀Ev ■

mit ε als der Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials.

Die Existenz des homogenen Feldes in der zentralen Teilzone I wird bei der vorliegenden Anordnung durch Erzeugung desselben homogenen Feldes in der Rand-Teilzone II ermöglicht. Dies geschieht dadurch, daß an der Mantelfläche 3 des Halbleiterkegelstumpfes durch eine oberflächige Dotierungsschicht eine Flächenladungsdichte erzeugt wird, deren Projektion auf die Feldrichtung bei der höchsten Sperrspannung U₀ der für das gewünschte homogene Feld maßgeblichen dielektrischen Verschiebungsdichte D₀ entspricht. Es gilt also

D_v = Ss₀Ev = e · riR· cos α,

worin e die Elementarladung und e ■ hr · cos α die Projektion der Flächenladungsdichte auf die Feldrichtung bedeuten.
Für die Herstellung des oben erläuterten Halbleiterventils dient z. B. das nachstehend an F i g. 3 erläuterte Verfahren.

In eine Scheibe aus hochohmigem Silizium (z. B. schwach p-dotiert mit ρ «* 1000 Dem) mit einer Dicke von 300 bis 400 μπι wird bei 1250 bis 1300⁰C auf der einen Stirnfläche Bor, zur Bildung einer hochdotierten Schicht 6 vom p-Leitungstyp, und auf der anderen Stirnfläche Phosphor, zur Bildung einer hochdotierten Schicht 7 vom n-Leitungstyp, während 15 bis 30 Stunden eindiffundiert, so daß eine p-i-n-Struktur mit einer hochohmigen i-Zone (200 bis 300 μΐη breit) verbleibt. Nun erfolgt die Ausbildung der Mantelfläche 3 des Halbleiterkegelstumpfes mit Hilfe eines Ultraschallwerkzeuges. Darauf wird mittels eines als Epitaxie bekannten Verfahrens bei einer Temperatur zwischen 1100 und 1200°C aus der Gasphase eine mit Boratomen dotierte Siliziumschicht 9 aufgebracht. Die Dimensionierung hat nach den oben abgeleiteten Gleichungen zu erfolgen. Aus der höchsten in Silizium

erreichbaren" Feldstärke, bei der noch kein Spannungsdurchbruch stattfindet (etwa 200kV/cm), seiner Dielektrizitätskonstante ε (etwa 12) und einem Winkel oi < 20° ergeben sich Flächendichten np ta 10¹² Do- ■ tierungsatome/cm². Eine solche Flächendichte wird z. B. durch eine Epitaxieschicht mit einer Dicke von 10 μπι und einer Dotierungskonzentration von 10¹⁵cm~³ erreicht. Schließlich wird eine Schutzlackschicht 10 aufgebracht, der Halbleiterkegelstumpf mit einer Molybdän-Trägerplatte 8 verlötet und der so hergestellte Halbleiter-Aktivteil auf geeignete Weise kontaktiert und mit einem Gehäuse versehen.

Gemäß einer vorteilhaften Variante kann die Lackschicht 10 durch eine Oxydschicht ersetzt werden.

Die Erzeugung der oberflächigen Dotierungsschicht kann gemäß weiteren Herstellungsvarianten auch mittels Diffusion oder Ionenbeschuß von geeigneten Dotierungsatomen in die Mantelfläche 3 des Halbleiterkegelstumpfes erfolgen.

Claims

20 Patentansprüche:

1. Halbleiterventil, bestehend aus einem monokristallinen Halbleiterkegelstumpf, dessen Grund- und Deckfläche Zonen verschiedenen Leitungstyps sind, die eine dazwischen liegende hochohmige I-Schicht zur Bildung einer NIP-Struktur begrenzen, und dessen Grund- und Deckfläche an flächenhafte Elektroden angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Mantelfläche (3) des Halbleiterkegelstumpfes eine dünne, oberflächige Dotierungsschicht (9) vom gleichen Leitungstyp wie die Zone der Deckfläche aufgebracht ist, wobei die Deckfläche sich auf der verjüngenden Seite des Kegelstumpfes befindet, und daß die Flächendichte der Dotierungsatome dieser Schicht (9) angenähert gleich

TlR=TtF- COS «

ist, wobei »f die in dem Halbleiterkegelstumpf bei der höchsten, vor Eintreten des Spannungsdurchbruchs erreichbaren Sperrspannung (U₀) an den Rändern der hochohmigen I-Zone in den benachbarten Zonen vom P- und N-Leitungstyp auftretende Flächendichte der Ladungsträger ist und κ der Winkel ist, den eine Kegelstumpfmantellinie mit einer in der Grundfläche des Halbleiterkegelstumpfes liegenden Schnittgraden bildet.

2. Halbleiterventil gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf der oberflächigen Dotierungsschicht angebrachte Schutzschicht (10).

3. Halbleiterventil gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (10) aus einer Lackschicht besteht.

4. Halbleiterventil gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (10) aus einer Oxydschicht besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen