DE1614410B2 - Halbleiterbauelement - Google Patents
HalbleiterbauelementInfo
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Description
Zentren bildenden Stoffen, wie Gold, im Halbleiterkristall.
Versuche, die genannten Mangel durch rasches Abkühlen des Halbleiterkristalls nach der EindifTusion
des Rekombinationszentren bildenden Stoffes zu beheben, führen nur zu einem begrenzten Erfolg.
Rekombinationszentren bildende Stoffe, /.. B. Fe,
Mn, Cu, Ag, deren Löslichkeit im Halbleiterkörper mit sinkender Temperatur abnimmt, können jedoch
auch in Form von unerwünschten Verunreinigungen bereits in geringerer Konzentration in den Ausgangshalbleiterkörpern
vorhanden sein. Insbesondere bei zu hohem Sauerstoffgehalt der Halbleiterkörper ergaben
sich daher auch dann Schwierigkeiten mit den aus ihnen hergestellten Halbleiterbauelementen, wenn
in die Halbleiterkörper keine weiteren Rekombinationszentren bildende Stoffe gezielt eingebracht wurden.
So zeigten auch Thyristoren aus Halbleiterkörpern, in die keine Rekombinationszentren bildenden Stoffe
mit bei sinkender Temperatur abnehmender Löslichkeit zusätzlich eindiffundiert wurden, häufig unerwartet
hohe Durchlaßspannung, niedrige Sperrspannungen sowie Undefinierte und nicht eindeutig reproduzierbare
Freiwerdezeiten. Bei Dioden traten ebenfalls hohe Durchlaß- und geringe Sperrspannungen
sowie Undefinierte und nicht reproduzierbare Frequenzgrenzen auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beobachteten Mangel von Halbleiterbauelementen,
welche Rekombinationszentren bildende Stoffe im Halbleiterkörper enthalten, möglichst weitgehend zu
beseitigen.
Dies wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß der Halbleiterkörper wenigstens annähern J frei von Versetzungen ist und einen Sauerstoffgehalt
kleiner als 10IG Atome. cm:1 hat.
Vorteilhaft beträgt die mittlere Versetzungsdichte über die Gesamtfläche eines beliebigen, zu den Flachseiten
des Halbleiterkörpers parallelen Querschnitts solcher Zonen, in denen die Kristallstruktur des Rohkörpers
erhalten geblieben ist, nicht m^hr als
1000/cm-, während die örtlichen Werte der Versetzungsdichte, bezogen auf Quadrate mit einer Seitenlänge
gleich der Dicke des Halbleiterkörpers, unter dem Betrag von 10 000/cm2 liegen.
Zur Erzielung einer geringen Durchlaßspannung und sines gleichmäßigen Durchzündens, insbesondere
bei Thyristoren, ist es günstig, wenn die örtlichen Werte der Versetzungsdichte, bezogen auf Quadrate
mit einer Seitenlänge von '/5 der Dicke des Halbleiterkörpers,
unter dem Betrag von 10 000/cm2 liegen.
Bei Halbleiterbauelementen mit einem flachen Halbleiterkörper, dessen zu den Flachseiten paralleler
Querschnitt größer als 8 cm2 ist, lassen sich die oben beschriebenen Mangel bereits vermeiden, wenn die
mittlere Versetzungsdichte über die Gesamtfläche nicht mehr als 20 000/cm2 beträgt und ihre örtlichen
Werte, bezogen auf Quadrate mit einer Seitenlänge gleich der Dicke des Halbleiterkörpers, unter dem
Betrag von 50 000/cm2 liegen. In diesem Fall läßt sich eine geringe Durchlaßspannung und ein gleichmäßiges
Durchzünden bereits dann erreichen, wenn die örtlichen Werte der Versetzungsdichte, bezogen
auf ein Quadrat mit einer Seitenlänge gleich >/5 der
Dicke des Halbleiterkörpers, unter dem Betrag von 50 000/cm2 liegen.
Die Erfindung und ihn: Vorteile seien am Beispiel eines Thyristors an Hand der Zeichnung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt das Qucrsehnittsprofil eines durch .τ Legieren hergestellten Thyristors.
Fig. 2 zeitit das QueTSchnittsprofil eine^ durch
Diffusion hergestellten Thyristors.
Der Thyristor nach Fi;». 1 besteht aus einem Halbleiterkörper
2 mit einer n-lcitenden Kemzone 3 und
in zwei äußeren, p-leitenden Diffusionszonen 4 und 5.
An der unteren Flachseite des Halbleiterkörpers 2 ist eine Aluminiumelektrode 6 anlegiert. Zwischen
der Diffusionszone 5 und der Aluminiumelektrode 6 befindet sich die stark aluminiumhaltige und daher
ij stark p-leitende Rekristaltisationszone 7. In die obere
Flachseite des Halblciterkörpers sind eine ringförmige, aus dem Gold-Silizium-Eutektikuip bestehende
Emitterelektrode 9 sowie eine ebenfalls aus dem Gold-Silizium-Eutektikurr. bestehende kleine scheibenförmige
Steuerelektrode U einlegiert. Die ringförmige Elektrode 9 kontaktiert die η-leitende, als
Emitter wirksame Rekristallisationszone 8, während die Elektrode 10 die p-leitende Basiszone 4 sperrfrei
kontaktiert.
Zum Herstellen des Thyristors entsprechend Fig. 1
wird eine Scheibe aus η-leitendem, einkristallinem Silizium mit einem Durchmesser von 32,5 mm, einer
Dicke von 300 μ und einem spezifischen Widerstand unter 100 Ohm verwendet, die wenigstens annähernd
frei von Versetzungen ist und einen Sauerstoffgehalt kleiner als 1016 Atome/cm:l hat. Da in diesem Fall
die Gesamtfläche eines zu den Flachseiten der Halbleiterscheibe parallelen Querschnitts mehr als 8 cm2
beträgt, können Scheiben mit einer mittleren Versetzungsdichte von z. B. 13 000/cm2 auf einer Flachseite
als brauchbar angesehen weiden; denn für diese Scheibengröße erscheinen Werte bis zu
20 000/cm2 zulässig. Besonders niedrige Durchlaßspannungswerte und ein gleichmäßiges Durchzünden
ergeben sich für den Thyristor, wenn der Höchstwert der lokalen Versetzungsdichte in dem zu den Flachseiten
parallelen Querschnitt und damit in einer Flachseite der Halbleiterscheibe in einem Quadrat
mit einer Seitenlänge von 60 μ nicht mehr als 50 000/cm2, also z. B. 40 000/cm2, beträgt.
Scheiben mit diesen Eigenschaften können beispielsweise
von einem Siliziumstab abgeschnitten werden, der aus einem besonderen tiegelfreien Zonenschmelzprozeß
hervorgegangen ist, bti welchem der ganze Stab zusätzlich beheizt wurde, so daß seine
außerhalb der Schmelzzone befindlichen Teile eine dem Schmelzpunkt des Siliziums angenäherte Temperatur
von etwa 1100° bis 1200° C hatten. Aufschluß über die Dichte der Versetzungen in den Halbleiterscheiben
kann man dadurch erhalten, daß man die geläppten Flachseiten einiger Probeexemplare mit
einem geeigneten Ätzmittel, z. B. einer Mischung aus Chromsäure und Flußsäure, behandelt. An den Stellen,
an denen eine Versetzung an die Oberfläche tritt, bildet sich eine sogenannte Ätzgrube aus. Die Ätzgruben
können gezählt und daraus die Dichte der Versetzungen in einer Flachseite und damit in jedem
zu den Flachseiten parallelen Querschnitt bestimmt werden. Aus den so erhaltenen Probeergebnissen
kann auf die Brauchbarkeit der übrigen vom gleichen Siliziumstab abgetrennten Scheiben geschlossen werden.
Zur Weiterverarbeitung wird in die Siliziumscheiben allseitig Akzeptormaterial, z. B. Gallium,
Bor oder vorzugsweise Aluminium, aus der Gasphase unter Ausbildung einer p-leitenden Oberflächenzone
eindilTundicrt. Das kann z. B. in einem erhitzten zugcschmnlzcncn
Quarzrohr geschehen, in dem sich die Siliziumscheiben und eine DotierungsstofTquclle
berindet.
Anschließend wird auf einer Flachseite der SiIiziamschciben
Gold bis zu einer Schichtdicke von 0,1 bis 0.5 μ aufgedampft. Hierauf werden die Siliziumscheiben
unter Schutzgas oder im Vakuum 30 Minuten lang auf einer Temperatur von 860 C gehalten
und danach schnell abgekühlt, so daß Gold in die Siliziumscheiben eindilTundicrt und dort Rekombinationszentren
bildet.
Sodann werden auf der vorerwähnten Flachseitc der Siliziumscheiben eine Aluminiumfolie unter Ausbildung
der Elektrode 6 und der stark p-leitenden Rekristallisationszone 7 und auf der anderen Flachseite
eine antimonhaltige ringscheibenförmige Goldfolie unter Ausbildung der Elektrode 9 und der nlcitenden
Rekristallisationszone 8 sowie eine scheibenförmige,
borhaltigc Goldfolie unter Ausbildung des Steuerkontaktes 10 einlcgiert. Schließlich werden
die Mantelflächen der Siliziumscheiben unter Ausbildung der voneinander getrennten p-leitendcn Zonen
4 und 5 abgeschrägt.
Durch das Einlegieren der Metallfolien in die Flachseiten der Siliziumscheiben wird dort unmittelbar
unter der Oberfläche die ursprüngliche Versetzungsdichte bis zu einer Tiefe verändert, die etwa mit
der Tiefe der Rekristallisationszonen übereinstimmt. In zu den Flachseiten parallelen Querschnitten durch
die Zone 3 bzw. durch die von den Rekristallisationszonen 8 und 7 nicht erfaßten Teile der Zonen 4
und 5. deren Leitfähigkeitstyp durch eindiffundierte Dotierungssubstanz bestimmt ist, ist dagegen die ursprüngliche
Versetzungsdichte der Siliziumscheiben erhalten geblieben.
Der Thyristor nach F i g. 2 besteht aus einer einkristallinen Siliziumscheibe 23 mit vier durch Eindiffusion
von entsprechendem DotierungsstofF hergestellten Zonen 11 bis 14 abwechselnd entgegengesetzten
Leitungstyps. Die Emitterzone 11 und die Basiszone 13 seien η-leitend, die Basiszone 12 und
die Emitterzone 14 p-leitend. In der Mitte der Emitterzone 11 ist eine Akzeptorverunreinigung enthaltende
Goldfolie unter Ausbildung der Steuerelektrode 18 so einlegiert, daß der p-leitende Rekristallisationsbereich 19 mit der p-leitenden Basiszone 12 in Verbindung
steht. Auf der Oberfläche der Emitterzone 11 ist eine Aluminiumelektrode 17 aufgedampft. An der
Oberfläche der Emitterzone 14 befindet sich eine aus der eutektischen Siliziumaluminiumlegierurig bestehende
Kontaktelektrode 15, an der ein Trägerkörper 22 aus Molybdän durch Erwärmen unter Druck befestigt
ist.
Zum Herstellen des Thyristors nach Fif,. 2 kann eine Scheibe aus η-leitenden cinkristallinen Silizium
mit denselben geometrischen Abmessungen, demselben spezifischen Widerstand, derselben Vcnsetzungsdichte
und demselben Sauerstoffgehalt wie zum Herstellen des Thyristors nach Fig. 1 verwendet werden.
In die Siliziumscheibe wird zunächst, wie beim Thyristor
nach Fig. 1, allseitig Akzeptormaterial eindiffundiert. Anschließend wird die so ausgebildete
p-leitende Oberflächenzone in einer begrenzten Schicht unter der Oberfläche durch allseitiges EindifTundiercn
von Donatormatcrial, wie z. B. Phosphor umdotiert, so daß diese Schicht denselben Leitungstyp wie die Ausgangsscheibe besitzt. Auf einer Flach-
seite der Scheibe wird diese umdnticrte Schicht z. B.
durch Läppen und/oder Ätzen entfernt und Gold aufgedampft, das, genauso wie beim Thyristor nach
Fig. i, in die Scheibe unter Ausbildung von Rekombinationszentren
eindiffundiert wird. Schließlich wird p. · dieser Flachseite eine Aluminiumfolie und
ein Molybdänkörper unter Ausbildung der arn Molybdänkörper 22 befestigten Elektrode 15 aus dem SiIizium-Aluminium-Eutektikum
und an der anderen Flachseite eine Goldfolie unter Ausbildung der Elektrode
18 cinlegiert. Sodann wird eine die Elektrode 18 umgebende Aluminiumschicht unter Ausbildung
der Elektrode 17 aufgedampft und die Mantelfläche der Siliziumscheibe 23, z.B. durch Sandstrahlen und
anschließendes Ätzen, abgeschrägt, so daß sich dadurch voneinander getrennte Zonen 11 bis 14 ergeben.
Die VersetzungsdichU: der ursprünglichen Siliziumscheibe
bleibt in zu den Flachseiten parallelen Querschnitten erhalten, die durch solche Zonen des
fertiggestellten Thyristors gelegt sind, die von den Rekristallisationsbereichen der Elektroden 15 und 18
nicht erfaßt sind.
Eine oder mehrere der Zonen 11 bis 14 des Thyristors nach F i g. 2 können auch durch epiüaktisches
Abschneiden von entsprechende Dotierungsstoffe enthaltendem Silizium auf die einkristalline Siliziumscheibe
erzeugt werden. Auch in diesem Fail bleibt die ursprüngliche Versetzungsdichte in den Querschnitten
des fertiggestellten Thyristors erhalten, die durch die ursprüngliche, einkristalline Siliziumscheibe
gelegt sind.
Claims (6)
1. Halbleiterbauelement mit einem flachen ein- Atome, die einen günstigen Einfangsquerschnitt für
kristallinen Halbleiterkörper, der über seine Dicke 5 die Minoritätsträger haben, im Halbleitermaterial
mindestens zwei schiehtenförmige Zonen mit von- eine mit sinkender Temperatur abnehmende Löslicheinander
entgegengesetztem Leitungstyp und zwi- keil. Ein Beispiel hierfür ist Gold, das ii;i Halbleitersehen
diesen einen flächenhaften pn-übergang material Silizium Rekombinationszentren mit giins'iaufweist
und der einen Rekombinationszentren gern Einfangsquerschnitt bildet, jedoch eine mit ilbildenden
Stoff enthält, dessen Löslichkeit im io lender Temperatur stark abnehmende Löslichkeit ;ie-Halbleiterkörper
mit sinkender Temperatur ab- sitzt, und das in bekannten Halbleiterbauelem· .ten
nimmt, dadurch gekennzeichnet, dai.v der eingangs genannten Art verwendet wird (b-i jsche
der Halbleiterkörper (2, 23) wenigstens annähernd Patentschrift 259).
frei von Versetzungen ist und einen Sauerstoffge- Der Einbau derartiger Rekombinationszentren in
halt kleiner als 10'"Atome cm·'1 hat. 15 den Halbleiterkristall ist z.B. beim Herstellen von
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1. da- Thyristoren wichtig, die eine kurze Freiwerdezeii
durch gekennzeichnet. daB die mittlere Ver- unter 50 μ see. besitzen sollen. Unter der Freiwerdesetzungdi.hte
über die Gesamtfläche eines zeit eines Thyristors ist der Zeitraum zu verstehen,
beliebigen, zu den Flachseiten des Halbleiterkör- in dem Undurchlässigwerden des Thyristors, wieder
pers parallelen Querschnitts solcher Zonen, in 20 die volle Sperrspannung in Durchlaßrichtung (Kippdenen
die Kristallstruktur des Rohkörpers erhai- spannung) an ihn angelegt werden kann, ohne daß
ten geblieben ist, nicht mehr als 1000/cm-' beträgt der Thyristor von selbst durchzündet, also durchlässig
und die örtlichen Werte der Versetzungsdichte, wird. Diese Freiwerdezeit hängt im wesentlichen von
bezogen auf Quadrate mit einer Seitenlänge gleich den Eigenschaften des Thyristors im Bereich des
der Dicke des Halbleiterkörpers, unter dem Be- 25 mittleren pn-Überganges im scheibenförmigen Halbtrag
von 10 000/cm2 liegen. leiterkörper ab. Wenn sich in diesem Bereich genü-
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, da- gend Rekombinationszentren befinden, die für die
durch gekennzeichnet, daß die örtlichen Werte Rekombination der Ladungsträgerpaare nach dem
der Versetzungsdichte, bezogen auf Quadrate mit Aufhören des Stromflusses sorgen, kann in verhälteiner
Seitenlänge von '/, x';r Dicke des Halblei- 30 nismäßig kurzer Zeit wieder die volle Sperrfähigterkörpers,
unter den Betrag von 10 0OO/cm- keit dieses pn-Überganges hergestellt sein.
liegen. Weiterhin ist es erforderlich, bei sogenannten
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, da- schnellen Dioden im Bereich der Raumladungen beidurch
gekennzeichnet, daß die mittlere Verset- derseitig des pn-Übergangs Rekombinationszentren
zungsdichte über eine Gesamtfläche von mehr als 35 mit geeignetem Einfangsquerschnitt einzubringen,
8 cm2 eines beliebigen, zu den Flachseiten des um dadurch eine möglichst hoiie Frequenzgrenze zu
Halbleiterkörpers parallelen Querschnitts solcher erzielen. Unter der Frequenzgrenze wird diejenige
Zonen, in denen die Kristallstruktur des Rohkör- Frequenz einer an einer Diode anliegenden Wechselpers
erhalten geblieben ist, nicht mehr als spannung verstanden, bis zu welcher die Diode noch
20 000/cm2 beträgt und die örtlichen Werte der 40 als Gleichrichter wirkt. Durch die Rekombinations-Versetzungsdichte,
bezogen auf Quadrate mit Zentren wird der sogenannte Trägerstaueffekt, d. Ii.
einer Seitenlänge gleich der Dicke des Halbleiter- ein verhältnismäßig hoher Flußstrom nach dem Umkörpers,
unter dem Betrag von 50 000/cm2 liegen. schalten der Diode in Sperrichtung, vermindert.
5. Halbleiterbauelemente nach Anspruch 4, Bei der Prüfung fertiggestellter Halbleiterbaueledadurch
gekennzeichnet, daß die örtlichen Werte 45 mems dieser Art, in die bei der Herstellung Rekomder
Versetzungsdichte, bezogen auf Quadrate mit binationszentren bildende Stoffe mit fallender Temeiner
Seitenlänge gleich '/, der Dicke des Halb- peratur abnehmender Löslichkeit eindiffundieri wutleiterkörpers,
unter dem Betrag von 50 000/cm2 den, wurde beobachtet, daß verschiedene von diesen
liegen. eine sogenannte »weiche« Kennlinie besitzen, die
6. Halbleiterbauelement nach einem der An- 50 häufig mit einer besonders starken Instabilität im
Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der warmen Betriebszustand verbunden ist. Beim Thy-Leitfähigkeitstyp
mindestens einer Zone durch ristor sind die Sperrspannungen in Durchlaßrichtung eindiffundierte Dotierungssubstanz bestimmt ist. (Kippspannung) und in Sperrichtung unstabil. Außerdem
waren bei solchen Thyristoren vielfach zugleich
55 ungleichmäßiges Durchzünden und ungewöhnlich
hohe Werte der Durchlaßspannung festzustellen. Bei der Prüfung von Dioden wurden wiederholt unstabile
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement Sperrspannung und zu hoher Spannungsabfall in
mit einem flachen, einkristallinen Halbleiterkörper, Durchlaßrichtung gemessen.
der über seine Dicke mindestens zwei schichtenför- 60 Es wurde erkannt, daß die beobachteten Mangel
mige Zonen mit voneinander entgegengesetztem Leit- miteinander auf Versetzungen im Kristallgitter und zu
fähigkeitstyp und zwischen diesen einen flächenhaf- hohen Sauerstoffgehalt des Kristalls zurückzuführen
ten pn-übergang aufweist und Rekombinationszen- sind. Während sonst solche Versetzungen, wenn sie
Iren bildenden Stoff enthält, dessen Löslichkeit im nicht zu zahlreich sind, und der Sauerstoffgehalt er-Halbleiterkörper
mit sinkender Temperatur abnimmt. 65 träglich erscheinen und die Brauchbarkeit der HaIb-Bei
der Herstellung von Halbleiterbauelementen leiterbauelemente praktisch nicht beeinträchtigen, erkann
es erforderlich sein, in flache, einkristalline geben sich Schwierigkeiten anscheinend infolge
Halbleiterkörper Rekombinationszentren bildende gleichzeitigen Vorhandenseins von Rekombination«;-
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