DE1906479C2 - Halbleiterbauelement - Google Patents
HalbleiterbauelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus der US-PS 33 20 496 ist bereits bekannt, zur Erhöhung der Durchschlagsspannung an der Seitenfläche
eines scheibenförmigen Halbleiterkörpers, an der ein zwischen zwei schlchtförmlgen Zonen entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps verlaufender pn-übergang austritt, den Halbleiterkörper mit einer ringförmigen Nut zu versehen,
die von einer von der einen schlchtförmlgen Zone gebildeten Hauptfläche des Halbleiterkörpers ausgeht, bis In
die andere Zone reicht und an deren Innenwand angeschrägt ist, so daß eine Verbreiterung der Raumladungszone des in Sperrichtung beanspruchien pn-Übergangs in
dieser Innenwand erreicht wird.
Darüber hinaus ist aus der DE-AS 12 51440 bekannt,
daß die Mantelfläche eines scheibenförmigen Haltleiterkörpers mit zwei schlchtförmigen Zonen entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps und unterschiedlichen spezifischen Widerstands zur Verbreiterung der Raumladungszone
und damit zur Erhöhung der Oberflächendurchschlagsspannung des an ihr austretenden pn-Übergangs so anzuschrägen
ist, daß der Durchmesser der Zone höheren spezifischen Widerstands vom pn-übergang weg abnimmt,
was als positive Anschrägung bezeichnet wird. Diese positive Anschrägung ist beim aus dieser DE-AS bekannten
Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art angewandt. Dabei grenzt die zweite Schicht hohen spezifischen
Widerstands mit Teilen an dieselbe Hauptfläche wie die erste Schicht und die Nut ist in diesen Teilen gebildet.
Des weiteren ist aus der US-PS 33 70 209 eine Anordnung
bei einem gesteuerten Siliziumgleichrichter bekannt, den Kathodenkontakt in einer Vertiefung einer
Hauptfläche des scheibenförmigen Halbleiterkörpers anzuordnen, um zu erreichen, daß Sperrspannungsdurchschlag
im Innern der Halbleiterkörper und n'cht an seiner Seitenfläche erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art unter
weiterer Erhöhung der Sperrfähigkeit des pn-Übergangs die Nut ausgehend von der Oberfläche der ersten Schicht
zu bilden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei ist besonders
vorteilhaft, daß bei einem Halbleiterplättchen aus einer die Gitterschicht bildenden und für einen geringen spezifischen
Widerstand ausgelegten p-leltenden ersten Schicht, aus einer für einen hohen spezifischen Widerstand
ausgelegten η-leitenden zweiten Schicht, aus einer Anodenschicht bildenden und für einen geringen spezifischen
Widerstand ausgelegten p-leitenden dritten Schicht sowie aus einer die Kathodenschicht bildenden
n-leltenden Schicht die Nut derart aufgebaut ist, daß sie
sich von der Oberfläche der die Gitterschicht bildenden ersten Schicht aus schräg nach untern erstreckt.
Dabei Ist die von der Nut umgebene Fläche der Hochwiderstandsschlcht
derart geformt, daß deren Durchmesser zum Boden der Nut hin allmählich kleiner wird.
Wenn nun an den pn-übergang eine Sperrspannung angelegt wird, dann wird die Breite der Verarmungszone,
die in der mit einem hohen spezifischen Widerstand ausgelegten dritten Schicht hervorgerufen wird, in der Nähe
der Nut größer als im mittleren Teil des Halblelterplättchetis und ruft auf diese Weise dann die Wirkung der
sogenannten positiven Kegelbildung mit dem Ergebnis hervor, daß am Ende des pn-Übergangs eine erhöhte
Durchschlagsspannung erhalten wird. Darüber hinaus gewährleistet die Nut eine größere Wirkungsfläche für
die Ausbildung einer Elektrode in dem Halbleiterbauelement. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann
aufgrund einer einfachen Fertigungstechnik kostengünstig hergestellt werden.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine zum Teil durchbrochene wiedergegebene
Seltenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,
FIg 2 eine schematische Darstellung der Ausdehnung
einer Verarmungsschicht unter der Bedingung, wenn eine Vorspannung am Halbleiterbauelemsnt anliegt,
F i g. 3 eine schematische Darstellung der Ausdehnung der Verarmungsschicht unter der Bedingung, daß am
Halbleiterbauelement eine Vorspannung entgegen der 'n F i g. 2 vorgegebenen Richtung anliegt,
FIg. 4 einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement
eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung und
Fig. 5 einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement eines dritten Ausführungsbeispiels nach der
Erfindung.
Nachstehend wird anhand der Fig. 1 bis 3 das erste
bevorzugte Ausführungsbeispiel in der Bauform eines gesteuerten Slliziumgleichrichters beschrieben.
Das aus Silizium hergestellte Halbleiterbauelement 1
besieht aus einer p-leitenden Schicht 2, weiche eine
Anodenschicht bildet, aus einer η-leitenden Schicht 3, aus einer p-leitenden Schicht 4, welche die Gitterschicht
bildet sowie aus einer in der Schicht 4 geformten und die Kathodenschicht bildenden η-leitenden Schicht 5. Die
seitliche Umfangsfläche des Halbleiterbauelements ist derart geneigt, daß dessen Durchmesser nach oben hin
immer kleiner wird, so daß sich eine konische Form ergibt. Die n-Ieitende Schicht 3 ist derart ausgelegt, daß
sie einen höheren spezifischen Widerstand besitzt als die ihr benachbarten Schichten 2 und 4. Damit nimmt das
freie Ende des pn-Übergangs zwischen der die Anodenschicht bildenden Schicht 2 und der n-Ieltenden Schicht
3 eine positive Kegelform an, ist also positiv angeschrägt, während das freie Ende des pn-Übergangs zwischen der
η-leitenden Schicht 3 und der p-leltenden Schicht 4 eine
negative Kegelform aufweist, also negativ angeschrägt ist. Mit der die Kathodenschicht bildenden Schicht 5 ist
eine Kathodenelekirode 6 verbunden, mit der die Gilterschicht
bildenden Schicht 4 eine Gitterelektrode 7 und mit der die Anodenschicht bildenden Schicht 2 eine
Anodenelektrode 8. Die freiliegende obere Fläche der Schicht 4 1st mit einer geschlossenen Nut 9 versehen,
welche sich durch die bereits genannte Schicht 4 hindurch bis In eine vorbestimmte Position In der n-leltenden
Schicht 3 hinein erstreckt. Die Nut 9 ist Im Hinblick auf die Mittellinie des Halbleiterbauelements schräg ausgeführt
und bildet daher mit dieser Mittellinie einen vorgeschriebenen Winkel α, so daß auf diese Weise der von
der Nut umgebene Teil der die Hochwiderstandsschicht
bildenden Schicht 3 derart geformt ist, daß deren Durchmesser zum Boden der Nut hin allmählich kleiner wird.
In entsprechender Weise ist das Ende des pn-Übergangs zwischen der η-leitenden Schicht 3 und der p-!e(tenden
Schicht 4, die von der bevorzugterweise ringförmigen Nut umgeben 1st, derart geformt, daß sich eine positive
Kegelform ergibt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Nut nicht notwendigerweise ringförmig zu sein braucht, sondern
vielmehr auch bspw. quadratisch, rechteckig oder in Irgendeiner anderen Form ausgeführt werden kann. Bei
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 1st der Winkel α für 30° ausgelegt, der zwischen 60° und 5° Hegen kann.
Der Grund für die Bereichsbeschränkung des Winkels liegt darin, daß ein Winkel von mehr als 60° bei der Herstellung
des Halbleiterbauelements Schwierigkelten bereitet, während ein Winkel von weniger als 5° nicht
den noch zu beschreibenden Effekt herbeiführen kann. In der von der Nut 9 erfaßten Umgebung sind die Kathodenschicht
und die Gitterelektrode 7 untergebracht. Die Nut 9 ist weiterhin mit einer elektrischen Isolierung verfüllt,
bspw. mit Silikongummi, Silikonlack usw., wenn dies auch nicht immer erforderlich ist.
Als nächstes wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements beschrieben.
Als nächstes wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements beschrieben.
Zuerst wird eine n-leitende Halbleiterschicht mit
einem hohen spezifischen Widerstand dadurch hergestellt, daß Phosphor in das Silizium eindiffundiert wird,
und zwar in einer Konzentration von 3 χ 1013 Atomen/cm3.
In die Schicht wird dann Gallium in einer Konzentration von 1016 bis 10" Atomen/cm3 bei einer
Temperatur von 1 260° C für eine Zeitdauer von 30 Stunden eindiffundiert, um rings um diese Schicht eine die
Anodenschicht und die Gitterschicht bildende p-leitende eindiffundierte Schicht zu formen. Auf den oberen mittleren
Teil der eindiffundierten Schicht wird eine Au-Sb-Legierung niedergeschlagen und dann bei einer Temperatür
von 7000C geglüht, so daß sich an der genannten
Stelle gleichzeitig eine η-leitende Legierungsschicht und eine Kathodenschicht bilden, wobei die Konzentration
der genannten Legierungsschicht ungefähr JO18 Atome/cm3 beträgt. Nahe der Kathodenschicht wird auf
die obere Fläche der einduffundierten Schicht mittels Ultraschallwellen ein Aiuminiumdraht befestigt, welcher
die Gitterelektrode bildet. Mit der Unterseite der eindiffundierten Schicht wird zur Bildung einer Anodenelektrode
unter Verwendung von Aluminium als Verblndüngemittel
ein Wolframblech verbunden. Der seitliche Umfang der Schicht wird mittels eines Schleifmittels zur
Herbeiführung der Abschrägung geschliffen, und zwar derartig, daß der Schichtkörperdurchmesser zur Kathodenschicht
hin allmählich kleiner wird. Das Schleifen kann bspw. dadurch ausgeführt werden, daß mittels
Druckluft Aluminiumpulver (AI2OO3) auf die Oberfläche
der Schicht geschleudert wird, während diese Schicht mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit gedreht wird. Das
Schleifmittel läßt sich auch beim Herausschneiden der Nut anwenden. So kann bspw. diese Nut dadurch hergestellt
werden, daß Aluminiumoxidpulver schräg von oberhalb der Gitterschicht kräftig auf die Oberfläche des
sich drehenden Substrats aus den verschiedenen Schichten geschleudert wird. Es sei darauf hingewiesen, daß
auch ein Ultraschallverfahren, welches zusätzlich zu den vorerwähnten Verfahren Verwendung findet, eingesetzt
werden kann. Die Nut und die Substratoberfläche werden mit Silikonlack oder Silikongummi beschichtet, die sich
dann bei normaler Temperatur verfestigen. Auf diese Weise wird ein gesteuerter Siliziumgleichrichter hergestellt.
Nun soll die Arbeltsweise und die Wirkung des Halbleiterbauelements
unter Bezug auf Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben werden.
Wenn bei dem aus einem Vierschichten-pnp-Substrat bestehenden Halbleiterbauelement, welches bei dem vorerwähnten
Ausführungsbeispiel verwendet wird, an dem pn-Übergang zwischen der Schicht 4 und der n-leitenden
Schicht 3 eine Sperrspannung anliegt, dann dehnt sich die Verarmungszone 11, wie das mit der strichpunktierten
Linie in Flg. 2 wiedergegeben ist, zur n-leitenden Schicht 3 hin in die Breite aus. Da nun in diesem Falle
das Ende des pn-Übergangs, der in der ringförmigen Nut 9 frelilagt, die positive Kegelform annimmt, dehnt sich
die Verarmungszone an dessen Ende breiter aus als In dessen Mittelteil. Wenn andererseits eine Sperrspannung
zwischen der Schicht 2 und der n-leiteriden Schicht 3 an
dem pn-Übergang anliegt, dann dehnt sich, wie dies mit-
tels der strichpunktierten Linie in Fig. 3 kenntlich
gemacht ist, die Verarmungszone mehr zur n-Ieitenden Schicht 3 hin aus. Die Verarmungszone dehnt sich derart
aus, daß sie im Mittelteil unterhalb der Kathodenschicht etwas breiter wird, dann zum Randteil hin etwas schmaler
und wiederum breiter an der Rand kante.
Wie bereits erwähnt, dehnt sich die Verarmungszone auch beim Anliegen einer Sperrspannung an einem der
beiden vorgenannten Übergänge am freiliegenden Ende des Übergangs breit aus, so daß die Durchschlagsspannung
an der Oberfläche des Übergangs stark erhöht wird. Während bspw. die Sperrspannung an den herkömmlichen
gesteuerten Siliziumgleichrichtern, bei denen nicht beide die Schicht hohen spezifischen Widerstands begrenzende
pn-Übergänge positiv angeschrägt sind, nur maximal 3000 Volt beträgt, halten Halbleiterbauelemente
gemäß dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel nachweislich eine Durchschlagsspannung von ungefähr 6000
bis 7000 Volt aus, und zwar deshalb, weil bei einer Dicke der η-leitenden Schicht 3 von 500 μηι beide Übergänge
im wesentlichen die gleiche Durchschlagsspannung aufweisen. Darüber hinaus hat das Halbleiterbauelement
eine entsprechend große Fläche zur Bildung einer Kathodenschicht und einer Kathodenelektrode mit der sich
daraus ergebenden erhöhten Strombelastbarkeit.
Bei Versuchen, die durchgeführt wurden, um die Größe der Durchschlagsspannung für den Fall festzulegen,
in dem sich in dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel die Verarmungszone über den Boden der Nut
hinaus ausdehnt, ist festgestellt worden, daß die Durchschlagsspannung auch dann noch genügend groß ist. Die
Ausdehnung der Verarmungszone unter derartigen Umständen ist durch die unterbrochene Linie in Fig. 2 und
Fig. 4 wiedergegeben. Mit Bezug auf Fig. 2 dehnt sich die Verarmungszone über den Boden der Nut hinaus bis
in den außerhalb der Nut liegenden Teil der Hochwiderstandsschicht hinein aus. Der Grund wird darin vermutet,
daß die Durchschlagsspannung dadurch erhöht wird, daß sich die an dem Übergang anliegende Spannung auf
die Innenwandung der Nut und auf die Außenwandung der Hochwiderstandsschicht verteilt. Auch im Falle von
Fig. 3 wird die Durchschlagsspannung erhöht, vermutlich deshalb, weil sich die Verarmungszone nicht nur in
den Teilen ausdehnt, die nur der Außenwandung der Hochwiderstandsschicht gegenüberliegen, sondern auch
in der Innenwandung der Nut gegenüber dem Mittelteil der Verarmungszone. Die zuvor erwähnte Ausdehnung
der Verarmungszone in beiden Fällen scheint auf der Tatsache zu beruhen, daß ein begrenzter elektrischer
Widerstand zwischen der Innenwandung und der Außenwandung der Nut auftritt und dann unterschiedliche
Potentiale in einem Teil der an den Nutwandungen anliegenden Spannung verursacht.
Nun soll unter Bezug auf F i g. 4 ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeisplel beschrieben werden. Da dieses
Halbleiterbauelement - wie bei dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel - im wesentlichen aus einem gesteuerten
Siliziumgleichrichter besteht, sollen gleiche Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und
deren Beschreibung fortgelassen werden. Das Halblelterbauelement 1 hat eine schräge oder geneigte Umfangsfläche.
Seine obere Fläche ist in Ihrem Mittelteil mit einer
Vertiefung versehen, Über die gesamte Oberfläche Ist
eine Gitterschicht 4 gebildet. Auf dem Boden der Vertiefung der Gitterschicht ist eine Kathodenschicht S angeordnet.
Von der oberen Hauptfläche des Halbleiterbauelementes aus, und zwar von dem erhöhten Teil der Gitterschicht,
ist eine sich nach unten erstreckende ringförmige Nut 9 eingearbeitet, deren Wandungen nach innen
zur Mittellinie hin geneigt sind. Der Boden dieser Nut 1st dabei in einer Hochwiderstandsschicht, einer n-leltenden
Schicht 3 angeordnet. Die Nut kann mit Silikongummi oder mit Lack (nicht dargestellt) gefüllt sein, wie dies
auch bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Fall Ist. Auf der Unterseite der η-leitenden Schicht 3 ist
eine die Anodenschicht bildende p-leitende Schicht 2 angeordnet, die mit einem die Anodenelektrode 8 bildenden
Metallplättchen versehen ist. Auf der Kathodenschicht ist weiterhin eine Kathodenelektrode 6 montiert,
während auf der Gitterschicht eine Gitterelektrode 7 aufgebracht ist.
Der Vorteil dieses Halbleiterbauelements liegt darin, daß der Boden der Nut weit von der Anodenschicht entfernt
ist, so daß die Nut gegenüber der Verarmungszone, die infolge der an dem pn-übergang zwischen der
Anodenschicht und der Hochwiderstandsschicht anliegenden Sperrspannung hervorgerufen wird, keine Behinderung
verursacht. Besonders diese Nut zeigt ihre volle Wirkung, ohne daß sie Schwierigkeiten in dem einen
oder anderen Teil des Halbleiterbauelements hervorruft.
Das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung läßt sich nicht nur bei gesteuerten Siliziumgleichrichtern verwenden,
sondern auch bei anderen Halbleiterbauelementen, bspw. bei einem Wechselrichter und einem Transistor.
Fig. 5 zeigt einen gesteuerten bilateralen Halbleitergleichrichter
als ein drittes Ausführungsbeispiel. Die Konstruktion dieses Gleichrichters soll nun beschrieben
werden. Von den oberen und den unteren Flächen eines η-leitenden Siliziumplättchens 20 aus wird Gallium indiffundiert,
um auf diesen Flächen jeweils die p-Ieitenden Schichten 21 und 22 zu bilden. In die obere und untere
Galliumschicht wird weiterhin jeweils Phosphor zur Bildung der η-leitenden Schichten 23 und 24 se wie 25 und
26 eindiffundiert.
Auf diese Weise ist das Halbleiterbauelement hergestellt. Weiterhin werden die Elektroden 27, 28 und 29 auf die entsprechenden Gruppen von Schichten 22 - 23 - 24, 21 - 25 und 21 - 26 angebracht. Die vorbeschriebenen Teile der seitlichen Umfangsfläche werden wie dargestellt, in eine schräge oder geneigte Form gebracht. Eine ringförmige Nut 30 wird dann noch wie dargestellt in das Halbleiterbauelement eingearbeitet.
Auf diese Weise ist das Halbleiterbauelement hergestellt. Weiterhin werden die Elektroden 27, 28 und 29 auf die entsprechenden Gruppen von Schichten 22 - 23 - 24, 21 - 25 und 21 - 26 angebracht. Die vorbeschriebenen Teile der seitlichen Umfangsfläche werden wie dargestellt, in eine schräge oder geneigte Form gebracht. Eine ringförmige Nut 30 wird dann noch wie dargestellt in das Halbleiterbauelement eingearbeitet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterplättchen
mit mindestens einem zwischen einer ersten, an eine Hauptfläche des Halbleiterplättchens grenzenden
Schicht eines Leitfähigkeitstyps mit niedrigem, spezifischem Widerstand und einer zweiten Schicht entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps mit hohem spezifischem Widerstand gebildeten pn-übergang und mit
einer sich von dieser Hauptfläche über den pn-Übergang In die zweite Schicht erstreckenden geschlossenen
Nut, in deren innenliegender Wand der pn-Übergang unter positiver Anschrägung mündet, dadurch
gekennzeichnet, daß die geschlossene Nut (9, 30) sich von der Oberfläche der ersten Schicht (4, 21)
durch diese hindurch und über den pn-übergang in die zweite Schicht (3, 20) erstreckt, und daß zur Erzielung
der positiven Anschrägung die geschlossene Nut (9, 30) einen Winkel (α) von 60° bis 5° mit der Mittelachse
des Halbleiterplättchens bildet.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halblelterplättchen aus
einem die Gitterschicht bildenden und für einen geringen spezifischen Widerstand ausgelegten p-leitenden
ersten Schicht (4, 21), aus einer für einen hohen spezifischen Widerstand ausgelegten n-leltenden
zweiten Schicht (3, 20), aus einer die Anodenschicht bildenden und für einen geringen spezifischen
Widerstand ausgelegten p-leitenden dritten Schicht (2, 22) sowie aus einer die Kathodenschicht bildenden nleitenden
Schicht (5, 26) die Nut (9, 30) derart eingebaut ist, daß sie sich seitlich von der Oberfläche der
die Gitterschicht bildenden ersten Schicht (4, 21) aus schräg nach unten erstreckt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Nut (9,
30) ringförmig, quadratisch oder rechteckig ausgeführt ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (9, 30) mit Isolierstoff
verfüllt ist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoff Silikongummi 1st.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche des Halbleiterplättchens
abgeschrägt ist, und zwar derart, daß der Durchmesser des Halbleiterplättchens zur unteren
Hauptfläche hin größer wird.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere, mittlere Teil des Halbleiterplättchens
eine Vertiefung aufweist, in welcher die die Kathodenschicht bildende n-leltende Schicht
(5) angeordnet ist.
55
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8181 | Inventor (new situation) |
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D2 | Grant after examination | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |