DE1920802A1

DE1920802A1 - Planar-Diode mit Durchbruch bei hoher Sperrspannung

Info

Publication number: DE1920802A1
Application number: DE19691920802
Authority: DE
Inventors: Joseph Kocsis
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1968-05-01
Filing date: 1969-04-24
Publication date: 1969-11-20
Also published as: GB1238403A

Description

Deutsche ITT Industries GmbH. J. Kocsis

78 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19 22. April 1969

Mo/SB

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG,

FREIBURG I. B.

Planardlode mit Durchbruch bei hoher Sperrspannung

Die Priorität der Anmeldung Nr. 725 689 vom 1. Mai 1968 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

Halbleiterbauelemente mit Durchbruch bei hoher Sperrspannung, wie z.B. Lawinentransistoren, sind bekannt. Die grundlegende Betriebsweise solcher Bauelemente besteht in der Anwendung von an eine Feldelektrode angelegten Potentialen, um die effektive Durchbruchspannung eines in Sperrichtung vorgespannten pn-überganges zu verändern, üblicherweise wird der pn-übergang bis zum Einsatzpunkt des Lawinendurchbruchs vorgespannt _f und der resultierende Lawinenstrom wird von der Feldelektrode gesteuert. Ein Lawinentransistor, bei dem der Durchbruch des pn-überganges auf einen kleinen Bereich im Innern des Halbleiterkörpers begrenzt ist, ist aus der US-Patentschrift 2 994 811 bekannt. Ein nach einem ähnlichen Prinzip arbeitender Transistor, bei dem aber der Durchbruch entlang einer Linie an der Halbleiteroberfläche eingeleitet wird, ist aus der US-Patentanmeldung SN 374 501 vom 11. Juni 1964, die inzwischen zum US-Patent 3 339 086 geführt hat, bekannt.

Es wurde schon verschiedentlich gezeigt, daß der Kantenradius eines planardiffundierten pn-Uberganges dessen Durchhruch um mehrere Größenordnungen in der Weise ver-

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mindern kann, daß je kleiner der Radius und je größer der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers ist, um so ausgeprägter der Radiuseffekt ist. Ein offensichtlicher Weg, eine höhere Durchbruchspannung zu erreichen, ist deshalb, die Diffusionen tief genug vorzunehmen, so daß der Radiuseffekt weitgehend reduziert wird. Zusätzlich zur tiefen Diffusion wird gewöhnlich ein Metallbelag verwendet, der mindestens so breit wie die den pn-übergang betreffende Verarmungszone ist, so ^ daß die Durchbruchstellen des pn-überganges an der Qber-" fläche verringert werden. Diese genannten Verfahren werden bei der Bauelementherstellung durch die Steuerung und Optimierung von Parametern stark eingeschränkt.

Die Erfindung betrifft eine Planar-Diode mit Durchbruch bei hoher Sperrspannung, die aus einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps und einer darin eingelassenen Zone entgegengesetzten Leitungstyps besteht, die an der den Zonen gemeinsamen Oberflächenseite des Halbleiterkörpers mittels eines Metallbelags kontaktiert ist, der sich auch auf eine auf der gemeinsamen Oberflächenseite aufgebrachte, den Kontaktierungsbereich aussparende Isolierschicht erstreckt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Halbleiterbauelement anzugeben, und zwar im besonderen eine Diode, die hinsichtlich ihrer Stabilität und Verlustleistung besser ist als die bekannten. Dies v/ird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Dicke der eingesetzten Zone in der Größenordnung von wenigen 10 jU,m liegt und daß die Isolierschicht örtlich unterschiedlich dick ist. Damit kann der Radiuseffekt an den Kanten des planardiffundierten pn-übergangs vollständig durch die Anwendung einer flachen Diffusion in der Größenordnung von 10"*~/6m und einer dünnen Oxydschicht(Dicke unter dem Metallbelag

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kleiner als 200 R) ausgeschaltet werden. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Planar-Diode mit Metallbelag und die

Gebiete hoher Feldkonzentrationen, Fig. 2 zeigt eine flach diffundierte Planar-Diode mit Metallbelag, wobei die hohen Feldkonzentrationen

am pn-übergang beseitigt sind, und Fig. 3 zeigt den Querschnitt einer Planar-Diode nach der Erfindung.

Wenn eine hohe Spannung an eine Halbleiterdiode angelegt wird, die einen Metallbelag über einer sehr dünnen Oxydschicht besitzt, entstehen hohe Feldkonzentrationen an der Kante des Metallbelags, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Diode nach Fig. 1 besitzt einen Halbleiterkörper 1 mit einer ersten Zone 2 des einen Leitungstyps und einer zweiten Zone 3 des entgegengesetzten Leitunqstyps, wobei zwischen beiden Zonen ein pn-übergang 4 entsteht, der sich zu der oberen Oberflächenseite des Halbleiterkörpers 1 erstreckt. Wenn der pn-übergang 4 in Sperrichtung durch ein zwischen den Elektroden 6 und 7 angelegtes geeignetes Potential vorgespannt wird, entsteht eine Raumladungszone in der Nachbarschaft des pn-überganges 4, deren Kante 11 sich in die Zone 3 hineinerstreckt. Wenn eine hohe Spannung an die Elektroden angelegt wird, entstehen hohe Feldkonzentrationen an dem bei 12 gezeigten Radius und an der Kante des Metallbelags, wie bei 13 gezeigt. Wenn nun eine metallbelegte Anordnung mit einem flach diffundierten pnübergang hergestellt wird, werden nur die hohen Feldkonzentrationen am pn-übergang beseitigt. Dies ist in Fig. gezeigt. Die Erfindung beseitigt zusätzlich auch die hohe

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Feldkonzentration an der Kante der Metallschicht, was durch die Verwendung einer dicken Oxydschicht unter der Kante der Metallschicht erreicht wird, wie in Fig. gezeigt.

Die Zuführung von Minoritätsladungsträgern, die unter dem Metallbelag eine Inversionsschicht entstehen läßt, ist ein sehr langsamer Vorgang, dessen Erholzeit ungefähr IcT²S beträgt. Deshalb genügt ein sehr kleines transversales Feld, die Minoritätsladungsträger auszuräumen und sicherzustellen, daß unter dem Metallbelag keine Inversionsschicht entsteht« Dieses transversale Feld wird von dem in Sperrichtung vorgespannten pn-übergang erzeugt.

Kenn unter dem Metallbelag keine Inversionsschicht existieren kann, erhält man die Dicke χ__Μ der unter dem Metallbelag liegenden Raumladungszone durch Lösung der Poissonschen Gleichung für diesen Fall, die immer einen Durchbruch vor dem Erreichen der Oxydschicht ergibt, wobei auch eine Differenz von 1 bis 3 der Dielektrizitätskonstante erlaubt ist. In praxi sind Oxydschichtdicken von 200 8 und kleiner wegen des Problems der Haarrisse nicht zu empfehlen. Es wurde jedoch gefunden, daB 1400 Volt an eine 200 8 dicke Siliziumdioxydschicht angelegt werden können, ohne daß das Oxyd durchschlägt.

Die verbesserte Diode nach Fig. 3 besteht aus einem Halbleiterkörper 20, der aus einer ersten Zone 21 des einen Leitungstyps und einer zweiten Zone 23 des entgegengesetzten Leitungstyps besteht, zwischen denen der sich zu der oberen Oberflächenseite des Halbleiterkörpers erstreckende pn-Übergang 24 liegt. Für die speziellen Zwecke dieser Beschreibung sei angenommen, daß die erste Zone 21 p-leitend und die zweite Zone 23 n-leitend ist.

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Es ist klar, daß die Leitungstypen und die an das Bauelement angelegten Betriebsspannungen umgekehrt werden können, so daß sich ein komplementäres Bauelement mit den gleichen Eigenschaften ergibt.

Wenn der pn-übergang 24 nach Fig. 3 durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen den Elektroden 26 und 27 über die Zuleitungen 28 und 29 in Sperrichtung vorgespannt wird, entsteht in der Umgebung des pn-überganges 24 eine Raumladungszone 30, die vollständig von beweglichen Ladungsträgern befreit ist. Diese Raumladungszone 30 erstreckt sich in die Zone 21 und die Zone 23 hinein, wobei die äußere Begrenzung der Raumladungszone ihre größte Ausdehnung in der Zone des größten spezifischen Widerstandes hat. Es ist wünschenswert, daß der spezifische Widerstand der ersten Zone 21 wesentlich kleiner ist als der der zweiten Zone 23, so daß die Ausdehnung der Raumladungszone in die erste Zone 21 hinein sehr klein im Vergleich zu ihrer Ausdehnung in die zweite Zone 23 hinein ist. Die erste Zone 21 besteht aus einer flach von der Oberfläche her eindiffundierten Zone, die sich nur wenig in den Halbleiterkörper 1 hineinerstreckt, so daß sie eine typische Dicke x. in der Größenordnung

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von wenigen IO JU.m besitzt.

Die Elektrode 26 erstreckt sich auf die Oxydschicht 31. Die Oxydschicht dient dazu, diejenige Stelle des pn-übergangs, an der dieser an die obere Oberflächenseite des Halbleiterkörpers tritt, vor Verunreinigungen zu schützen. Die Oxydschicht 31 besitzt einen sehr dünnen Teil bei (Dicke χ .) und einen dickeren Teil bei 33 (Dicke x_ox2)· Der übergang vom dünnen Teil 32 zum dicken Teil 33 ist in allen praktischen Fällen ein allmählicher übergang, der analog zu dem eines tief um einen flachen pn-über-

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gang herum eindiffundierten Schutzrings ist. Die Feldkonzentration an der Kante des Metallbelags nach den Fig. 1 und 2 wird durch dieVerwendung der dicken Oxydschicht unter der Metallbelagskante ausgeschaltet.

Es ist nötig, die Dicke x_„ der Raumladungszone unter der Isolierschicht mindestens so groß zu machen wie ihre Dicke Xp, unter dem pn-übergang. Daher soll die Größe L nach Fig. 3 (Abstand zwischen der Metallbelagskante und der Stelle, an der der pn-Ubergäng an die Oberflächenseite tritt) größer oder gleich der Dicke x_Q. sein. Es wurden Dioden mit im Innern des Halbleiterkörpers erfolgendem Durchbruch hergestellt, deren Planardiffusionstiefe ungefähr 10~~itm betragen hat.

Obwohl die Erfindung am Beispiel einer Diode erläutert wurde, 1st sie in der gleichen Weise und aus den gleichen Gründen auch für Transistoren und andere Halbleiterbauelemente anwendbar.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

a Planar-Diode mit Durchbruch bei hoher Sperrspannung, die aus einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps und einer darin eingelassenen Zone entgegengesetzten Leitungstyps besteht, die an der den Zonen gemeinsamen Oberflächenseite des Halbleiterkörper« mittels eines Metallbelags kontaktiert 1st, der sich auch auf «ine auf der gemeinsamen Oberfl&chenseite aufgebrachte, dem Koniaktierungsbereich aussparend« Isolierschicht erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der eingesetzten Zone in der Größenordnung von wenigen lo'Vcm liegt und daß die Isolierschicht Örtlich unterschiedlich dick ist.
2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des über dem Bereich des pn-Ubergangs liegenden Teils der Isolierschicht kleiner als die Dicke des außerhalb des pn-Ubergangs liegenden Teils der Isolierschicht ist.
3. Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dickere Teil der Isolierschicht dort angeordnet ist, wo die Grenze der Verarmungszone des pn-Ubergangs an die gemeinsame Oberflächenseite tritt.
4. Diode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des dünneren in die des dickeren Teils der Isolierschicht nicht sprunghaft sondern allmählich Übergeht.

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INSPECTED

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5. Diode nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag den dünneren Teil, den Übergangsteil und einen Teil des dickeren Teils der Isolierschicht bedeckt.

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