DE1934208U - Halbleiterbauelement. - Google Patents

Halbleiterbauelement.

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DE1934208U
DE1934208U DEG33633U DEG0033633U DE1934208U DE 1934208 U DE1934208 U DE 1934208U DE G33633 U DEG33633 U DE G33633U DE G0033633 U DEG0033633 U DE G0033633U DE 1934208 U DE1934208 U DE 1934208U
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Description

P.A. 67 2 if 2 9*23.12.85 £
. - 1 ui
ώθ 13
4541
G-eneral Electric Company, Schenectadv !W0Y./USA
Halbleiterbauelement
Die Heuerung befaßt sich damit, die Eigenschaften von K Ha'lbleitermaterialien? die im Innern mindestens einen Übergang zwischen zwei Zonen verschiedener leitfähigkeitscharakteristik besitzen, und die Eigenschaften von Bauelementen, bei denen solche Materialien verwendet werden, zu verbessern. Die Neuerung befasst sich insbesondere mit Maßnahmen, um die Sperr- oder Gegenspannung, die an solche Bauelemente angelegt werden kann, ohne Durchbruch zu erhöhen, und die Fähigkeit solcher Bauelemente Verlustleistung abzugeben, zu vergrö'ssern, wenn das Bauelement in Sperrichtung durchbricht»
Die dielektrische Yerarmungszone ist hochohmig und kann hohe Spannung aushalten. Beispielsweise kann in den meisten praktischen Bauelementen die dielektrische Verarmungszone * eine'-'Sperrspannung von mehreren loo Volt aushalten, ohne
daß im Materialkörper ein Durchbruch auftritt« Jedoch können die meisten Hochspannungsbauelemente nicht mehr als einen Bruchteil der Spannung, der der Körper in Sperrichtung (entweder vorübergehend oder im Dauerzustand) widersteht, aushalten, weil der Durchbruch zuerst über oder an der Oberfläche auftritt. Aus diesem Grund sagt man, daß die -* meisten solcher Bauelemente "oberflächenbegrenzt" sind.
Weil die meisten Gleichrichter "oberflächenbegrenzt" sind, ergeben sich ernsthafte Schwierigkeiten "bei der Verwendung solcher Bauelemente. D.h., daß man das Bauelement nicht in Schaltungen verwenden kann,, in denen Sperrspannungen (entweder dauernd oder vor üb ergehend) von einigen loo YoIt auftreten können, ohne daß man "besondere Vorsichtsmaßregeln, sogar
sehr komplizierte, verwendet, damit die Sperrspannung
nicht direkt an dem Bauelement anliegt«
Eine Istabilität des Bauelementes ergibt sich häufig dadurch, daß sieh die Verhältnisse an der Halbleiteroberflache ändern„ Die Eigenschaften solcher Bauelemente ändern sich "beträchtlich mit dem Oberflächenzustand. Deshalb ist die Stabilität des Bauelementes sehr gering, wenn man nicht Vorsichtsmaßregeln trifft, so daß sich die Oberflächenverhältnisse während des Gebrauchs des Bauelementes nicht wesentlich ändern können.
Wenn durch eine dem Gleichrichter zugeführte Sperrspannung ein Durchbruch in den Materialkörper anstatt an der Oberfläche auftritt, dann kann das Bauelement etwa genauso viel Verlustleistung bei dauerndem und auch vorübergehendem Betrieb in Sperrichtung, wie in Durchlaßrichtung abführen. Wenn das
Bauelement im Körper durchbricht und ein Strom in Sperrichtung fliesst, dann wird dieser Durchbruch "Lawinendurchbruch"
(manchmal fälschlicherweise auch "Zenerdurchbrueh") genannt. Der Lawinendurchbruch von Siliziumgleichrichterdioden ist
eine spezifische nicht zerstörende Eigenschaft, die häufig bei niedrigen Leistungs- und Spannungswerten als konstante Bezugsspannung oder Konstanthalter bei sogenannten "Zenerdioden" verwendet wird. Wie eine Zenerdiode, so behält auch ein
Gleichrichter, der innerhalb seiner thermischen Grenzen betrieben
wird, im Lawinenbereich im wesentlichen eine konstante Spannung, unabhängig vom Strom in diesem Bereich=
Vielleicht ist es zweckmäßig darauf hinzuweisen, daß der Durchbruch häufig an der Oberfläche des HalToleitermaterials wegen des dort vorhandenen hohen Spannungsgradienten des Bauelementes auftritt. Anders ausgedrückt, tritt der Durch-Toruch an der Oberfläche wegen der dort vorhandenen hohen Feldstärke auf. In Wirklichkeit hat das elektrische Feld gewöhnlich nahe des Überganges zwischen zwei Zonen von entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp seine höchste Intensität. Beispielsweise kann der Übergangsbereich zwischen zwei Zonen verschiedener Leitfähigkeit in der Größenordnung von IO cm dick sein. Man sieht also sofort, daß ein sehr starkes elektrisches Feld (hohe elektrische Feldintensität) in dem Gebiet der Oberfläche des Körpers auftritt, das von dem Übergrng geteilt wird.
Eine Möglichkeit, die viele dieser Zweeke erfüllt, besteht darin, eine Halbleiterpastille herzustellen, die einen mittleren Bereich besitzt, in dem Trägermultiplikation durch Lawinendurchbruch auftritt und die einen anderen außen herumführenden Bereich besitzt, der in Wirklichkeit die Wirkung des Ober-=- flächenzustandes des Bauelementes steuert und bestimmt. Ganz allgemein haben solche Verfahren dazu geführt, die Spannung zu verringern, bei der der eine Teil des Bauelementes durchbricht. Wenn diese Spannung genügend klein ist, dann ist der DujEhbruch beinahe immer ein Lawinendurchbruch. Jedoch kann die Spannung, die das Bauelement aushält, so niedrig und die Sperrströme können so hoch sein, so daß das Bauelement für Hochspannungsanwendung unbrauchbar wird.
Demnach soll die Neuerung die Aufgabe lösen, ein Halbleitergleichrichterbauelement herzustellen, das die oToen "beschriebene Möglichkeit auswertet, so daß der Durchbruch eher im Körper als an der Oberfläche ( gesteuerte Lawine genannt) auftritt, dadurch, daß man die Größe der Durchbruchsρannung an der Oberfläche eher erhöht als die Durchbruchspannung des Körpers erniedrigt.
Eine andere Möglichkeit, die Oberflächenprobleme zu verringern, ist als planare Passivierungstechnik bekannt» Die planare Passivierungstechnik ist gut für Kleinsignal-Uiederspannungsbauelemente anwendbar5 sie ist aber nicht für Bauelemente ausnutzbar, die wegen Prozessbegrenzungen Lawinendurchbrucheigenschaften M über 5oo Volt erfordern. Scharfe Übergangsecken (kleine Übergangsradien) und das Phänomen, das als Anhäufung unter dem Oxyd bekannt ist, sind zwei wesentliche Paktoren, die im allgemeinen, die Durchbruchsspannung der Bauelemente, die nach planarer Technik hergestellt werden, begrenzen. Die !Teuerung befasst sich mit einem Aufbau des Bauelementes, insbesondere des Überganges, für den man die besten Eigenschaften der Planartechnik (abgedeckte Pastillenoberfläche) verwenden kann, der gleichzeitig den Bereich der Sperrspannung ausdehnt, den das Bauelement vor dem Durchbruch aushalten kann, und der den Durchbruch zu einem Lawinendurchbruch diich den Körper werden läßt»
In einer Ausführung der !Teuerung besitzt ein Halbleiterkörper mit zwei Hauptseiten mindestens zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,zwischen denen ein gleichrichtender Übergang besteht. Eine der Zonen des Plättchens besteht
aus zwei Bereichen, von denen der eine im Innern liegt» Wenigstens ein Teil dieses Bereiches "bedeckt einen Teil der einen Seite des Plättchens und ist im Innern von dem Umkreis des Körpers getrennt. Der andere Bereich beäeckt einen Teil derselben Seite und umgibt den inneren Bereich« Er hat einen IFlächenwiderstand, der größer ist, als der des inneren Bereiches und zwar um soviel, daß sich die Raumladungsschicht, die mit dem Übergang verknüpft ist, im wesentlichen über die ganze Oberfläche des umgebenden Bereiches vor dem Lawinendurchbruch ausbreiten kann. Der Übergang und der umgebende Bereich können von einem Oxyd oder einer anderen isolierenden Schicht bedeckt sein»
Die !Teuerung ist am besten anhand der folgenden Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich, in denen;
Mg ο 1 ein Querschnitt mitten durch einen Teilausschnitt eines Halbleitergleichrichterplättchens gemäß der Neuerung ist, in dem elektrische Feldlinien eingezeichnet and, die zeigen, wie weit sich das Feld für verschiedene Spannungen an den Elektroden des Plätt chens aisdehnt ι
Mg. 2 ein Querschnitt mitten durch einen Teilausschnitt eines Halbleiterbauelementes gemäß, der Neuerung ist, bei dem sich ein zweistufiges PeId an der Plättchenoberfläche ausbreitet?
Mg ο 3 bis einschliesslich Mg0 7 Querschnitte mitten durch Halbleitergleichrichterplättchen verschiedener Bauformen gemäß der Neuerung sind|
Fig. 8 und 9 Querschnitte mitten durch Halbleitertransistorplättchen sind, die verschiedene Bauformen von Drei-Schichten-Bauelementen gemäß der !Teuerung zeigen und
Pig ο Io nnd 11 Querschnitte mitten durch Halbleiterkörper sind, "bei denen die Grundlagen der Neuerung in npnp-Bauelementen, wie gesteuerten Gleichrichtern verwendet werden,
In Figur 1 ist der Querschnitt eines Teiles eines Plattehens Io aus monokristallinem Halbleitermaterial, wie Silizium oder Germanium, schematisch dargestellt= Das Plättchen ist für viele praktische Halbleiter-Bauelemente kreisrund, so daß es ganz allgemein wie eine runde Münze gestattet ist \ es kann in anderen Fällen euch quadratisch oder rechteckig sein» Fiederohmige elektrische Kontakte 11 und 12 (Ohmsche Zontakte) sind an der Oberseite und Unterseite des Plättchens Io angebracht. Das Plättchen Io besitzt zwei Zonen von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp, nämlich eine η-leitende untere Zone 13 an der Unterseite (die Zone 13 erstreckt sich wirklieh wie dargestellt Isis zur Obsrseite) und eine p-leitende obere Zone 14 an der Oberseite» Die Grenze oder Verbindung zwischen den beiden Zonen 13 und 14 bildet ein pn-übergang 15. Um die Durchbruchsspannung des Plättchens Io eher durch die Masse als durch die Oberfläche zu begrenzen und um das elektrische Spitzenfeld an der Oberfläche im Bereich des Überganges 15 bei Sperrbetrieb zu reduzieren, besitzt die obere p-gone 14 zwei Bereiche 16 und 17 vom gleichen Leitfähigkeitstyp, aber von verschiedenem Widerstand oder Flächenwiderstand. Die obere p-Zone 14 besitzt einen mittleren Bereich 16, der mit P+ bezeichnet ist, um so anzudeuten, daß er hoch dotiert ist (eine große Zahl von Trägern vom P-Typ hat), und einen Bereich 17, der den P+Bereich
16 an der Oberfläche des Plättchens Io umgibt, und mit P bezeichnet ist, um anzudeuten, daß er schwach dotiert ist (eine kleine Zehl von T-Trägern vom P- Typ besitzt)» Deshalb ist der mittlere P+ -Bereich 16 hochleitfähig ( hat einen niedrigeen Flächenwiderstand) und der umgebende P- Bereich
17 hat eine niedrige Leitfähigkeit (hohen Flächenwiderstand).
Um die Leitfähigkeiten und Dimensionen der Teile des Plättchens Io für spätere Diskussionen und für die Erklärung des Prinzips einzuführen, werden die in den Bildern verwendeten Parameter hier angegeben. In einem Ausführungsbeispiel ist das Plattehen Io quadratisch .geschnitten, wobei die Seiten 1,75 mm (7o mil) lang sind und es 8,2 mm ( 8 mil) dick ist. Das Ausgangsmaterial ist η-leitend und hat einen spezifischen Widerstand von 18 Ohm ' cm. Der mittlere P+ Bereich 16 ist mit Bor bis zu einer Tiefe von etwa o,o4 mm (1,8 mil) eindiffundiert, bei einer Oberflächenkonzentration von etwa 1 χ 10 ° Atomen pro Kubikzentimetern, Der mittlere kreisförmige Bereich 16 hat einen Durchmesser von etwa 1,25 mm (5o mil). Der umgebende P- Bereich 17 ist eine ungefähr 1,1 mm (o,46 mil) dicke diffundierte Schicht und besitzt eine Obei-flächenkonzentration von etwa 1 χ 10 Atomen pro Kubikzentimeter. Hierbei bildet der umgebende P- Bereich 17 auch ein kreisförmiges G-ebiet auf der Ober£seite des Plättchens Io und hat einen Durchmesser von 1,5 mm (6o mil).
Der hochohmige Bereich 17 ist deshalb um den mittleren niederohmigen Basich 16 angebracht, damit sich das elektrische Feld vor dem Lawinendurchbruch des Überganges ausbreiten muß. Es soll hier daran erinnert werden, daß ein Hauptgrund für den Oberflächendurchbruch eine Konzentration des elektrischen Feldes an der Oberfläche und im Bereich des Überganges ist. Da sieh das elektrische FsId an der Plattchenobsflache wegen des Bereiches 17 ausbreiten muß, wird er zweckmäßig der Feld- oder Raumladungsausbreitungsbereich genannt. Eine Möglichkeit, die Ara-beitsweise des
Bauelementes zu "betrachten, besteht darin, sich vorzustellen; daß die Feldausbreitung dadurch verursacht oder erzwungen wird5 daß die Dotierung des leldausbreitungsbereiches 17 so gering ist (wenn man einen hohen Flächenwiderstand annimmt), so daß alle Dotierungsverunreinigungen vor dem Lawinendurchbruch "verbraucht" werden. Dabei ist angenommen, daß der Bereich Träger desselben leitfähigkeitstypes besitzt, wie er im übrigen Teil der Zone 14 vorhanden ist (also entgegnngesetzt zu den Ladungsträgern an der anderen Seite des pn-Übergangs 15)° Wenn man also den Feldausbreitungsbereich 17 intrinsic oder leicht η-Typ leitend macht, dann erhält man nicht dieselbe Feldausbreitungswirkung. Aus obiger Diskussion kann man sehen, daß der Grad der Feldausbreitung im Bereich 17 durch die Zahl der Verunreinigungsatome (und den Flächenwiderstand), die in dem Bereich vorhanden sind, bestimmt wird, ^e grosser die Zshl der Verunreinigungsatome pro Volumeneinheit bei einem gegebenen F-ldausbreitungseffekt ist, desto dünner muß der Feldausbreitungsbereich sein, und umgekehrt, je niedriger die Konzentration der Verunreinigungsatome ist, desto dicker muß er sein.
Man kann den diskutierten Effekt in Fig. 1 äehen, wenn man ihn von der Ausbreitung des elektrischen Feldes her an der Oberfläche des Bauelementes betrachtet» Wenn eine kleine Sperrspannung zwischen den Elektroden 11 und 12 angelegt wird (d.h., wenn Elektrode 17 in Bezug auf Elektrode 11 positiv ist), dann bildet sich am Übergang eine dünne Verarmungszone oder RaUmladungsschicht, wie es durch gestrichelte linien 18 und auf beiden Seiten des Überganges 15 dargestellt ist. Wie man sieht, bewegt sich die elektrische Feldlinie 18 weiter in den P-Feldausbreitungsbereich 17 als in den P+ Bereich 16, entsprechend
der unterschiedlichen .Anzahl der La dungs träger, die in den "beiden Bereichen vorhanden sind. Wenn die Sperrspannung vergrößert wird, dann dehnt sieh die Raumladungszone soweit aus, wie es durch die strichpunktierten Linien 2o und 21 angegeben ist. Die Raumladungszone kann sich noch weiter in den P+ Bereich 17 hineinbewegen5 dies setzt sich solange fort, bis sie die Oberfläche der P-Schicht eiceicht (siehe strichpunktierte Linie 2o). Bei weiterem Ansteigen der Spannung wird äas Feld anfangen, sich'an der Plättchenoberfläche und am Rand des P+ Bereiches 16 aufzubauen, da es sich nicht weiter ausdehnen kann, siehe z.B. die äußeren gestrichelten Linien 22 und 23.
Man hat festgesetzt, daß die Spannung, die erforderlich ist, um die Raumladungszone an die Oberfläche zu bringen, zwischen 20 und 80 % der gewünschten Durchbruchsspannung betragen solle Im Bereich der Durchbruchsspannung von loo und 2ooo YoIt ändert sich die Ladung, die nicht vnn der Raumladungsschicht im P-Bereich 17 bedeckt wird, nicht sehr viele lach Berechnungen, die durch Versuche nachgeprüft wurden, soll der Plächenwiderstand R01 für den P- !Feldausbreitungsbereich 17 größer als looo Ohm pro Quadrat sein. Dieser Plächenwiderstand ist wie in der Literatur angegeben berechnet.
Die Vorteile der planeren Passivierung werden in solchen Bauelementen dadurch ausgenutzt, daß man eine isolierende Schicht 24 z.B ο aus Siliziumdioxyd über dem Übergang 15 und dem P- PeIdausbreitungsbereich" stehen läßt.
Bin ähnliches Halbleiterbauelement ist in Pig. 2 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von Pig. I,
-lo-
daß der Feldausbreitungsbereich 17 in zwei Teile oder Stufen eingeteilt ist. Der erste ist ein P- Teil 25, der direkt den mittleren P+ Bereich 16 umgilot und dieselbe Aufgabe hat, wie der P- Bereich 17, der in I1Xg0 1 beschrieben ist. Zusätzlich dazu umgibt ein zweiter Teil 26 von gleichem leitfähigkeit s typ, aber höherem Flächenwiderstand direkt den P- Teil 25. Der Teil 26 ist mit P—bezeichnet, um anzudeuten, daß er aus hochohmigerem MateriöL wie der P- Teil 25 besteht. Durch den zusätzlichen hochohmigeren Teil 26<?rgibt sich eine zusätzliche Möglichkeit,dss Elektrische über der Oberfläche auszubreiten. Der !Flächenwiderstand jedes zusätzlichen Ausbreitungsteiles (z.B. des Teiles 26) sollte etwa 30 f> größer als der des benachbarten Teiles sein, So sollte der Flächenwiderstand des Teiles 25 etwa looo Ohm oder größer, und der Flächenwiderstend des zusätzlichen Teiles 26 sollte l«3oo Ohm oder größer sein. Wie man sieht, ist die isolierende Siliziumdioxydschicht 24, die direkt über dem P— Teil 2 6 liegt, dicker als die über dem P- Teil 25. Dies wird in einem Schritt bei der Herstellung des Bauelementes nach der Methode gemacht, deren Prinzip im folgenden näher beschrieben ist»
Eine andere Struktur gemäß der Neuerung ist in Pig. 3 dargestellt. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen ein Doppel der Ausführungsform nach Fig. Ij d.h. in dieser Ausführungsform ist der Aufbau des Plättchens 27 sehr ähnlich wie dem des Plättchens Io in Fig. 1. Aber die Leitfähigkeitstypen der Zonen sind umgekehrt, d.h. dss Plättchen 27 besitzt zwei Zonen verschiedenen Leitfahigkeitstypesι nämlich eine p-leitende untere Zone 28 an der Unterseite, und eine η-leitende Zone 29 an der Oberseite. Die Grenze oder Verbindung zwischen beiden Zonen 28 und 29 bildet einen pn-übergang 3o.
Die o"bere n-Zone 2 9 "besteht aus einem in der Mitte liegenden Bereich Jl5 der mit Ή+ "bezeichnet ist, um anzudeuten, daß er hochdotiert ist (einen niedrigen E&chenwJäerstand hat)., Wenn man den mittleren Bereich 31 mit einem η-Bereich von hohem Widerstand (hohem Flächenwiderstand) an der Oberseite umgi"bt 5 dann entsteht ein Ra umla dung saus Toreitungs"bereich 32 = Wiederum sind oloen und unten Öhmsche Kontakte 33 und 33' angebracht, damit man die Betriebsspannung an das Plättchen anlegen karni. Eine isolierende Schicht 34 (z.B. Siliziumdioxyd) "bedeckt den Übergang 3o und die Raumladungsaus "br eitungszone 32»
Man kann ein Plättchen aus p-leitendem Material oxydieren, so daß sich eine Siliziumdioxydschieht von 8ooo "bis 12 ooo Angstrom Dicke bfeildet» Mit Hilfe von Photoabdeckmasken wird ein ffeister^ in das Oxyd geätzt, das dem M+ Bereich 31 der oberen n-Zone 29 entspricht» Das entstehende Gebilde".; wird genügend lange einer Phosphoratmosphäre ausgesetzt, so daß die Diffusion durch das Oxyd hindurchgeht, um die Oberfläche der Oberseite direkt unter dem Oxyd in einen hochohmigen n-Typ-Bereich umzuwandeln. Das Plättchen wird dann gereinigt und es werden Elektroden auf die übliche Weise angebracht»
Wenn man die Eigenschaften der zerschnittenen Plättchen dieser allgemeinen Bauform in Sperrichtung prüft (insbesondere Bauelemente, die ρ-Material in der oberen Zone 29 und n-Material in der unteren Zone 28 nach Pig. 3 verwenden), dann zeigt sich, daß die Dioden ohne Umpolung oder kennzeichnender Kompensation direkt unter dem Oxyd spannungsbegrenzt sind, d.h., daß die Bauelemente eei etwa 5oo Volt (ungefähre Spannungsgrenze) vollständigen Durchbruch zeigen und bis zu diesem Wert eine langsame Durchbruchcharakteristik haben» Mit zunehmender
Kompensation an der Oberfläche zeigen die Plättchen immer noch einen Durchbruch bei etwa 5oo VoIt5 aber der Durchbruch ist abrupt. D.h., die Leitfähigkeit in Sperrichtung vergrößert sich nicht wesentlich, bis die Sperrspannung etwa 5oo Volt ist und an dieser Stelle ist der Durchbruch dann abrupt« Mit Umkehrung der Oberfläche direkt unter dem Oxyd zum η-Typ hin, vergrößern sich die Durchbruehsspannungen der Plättcher auf etwa 9oo Volt, wobei der Sattigungsstrom nicht grosser als 2 Mikroampere ist« Außerdem ist der Durchbruch ein abrupter Lawinendurchbruch. Dies zeigt, daß die Kompensation von Anhäufungen en der Oberfläche (d.h. erhöhte Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche durch die Abgabe von Trägern aus dem Oxyd, was normalerweise auftritt, wenn planare Technik verwendet wird) die Gestalt der Kennlinien beeinflusst, aber einen wesentlich geringeren Effekt auf die Größe der Durchbruchsspannung hat, als eine wirkliche Umkehrung in einen hochohmigen Bereich desselben Leifähigkeitstypes, wie dem diffundierten Bereich in der Mitte. Die Entfernung des Oxydes (das zur Diffusionsmas^kierung verwendet wurde) hat nicht wesentlich die Stabilität des Bauelementes, das den dargestellten Aufbau besitzt, beeinflusst» Man kann jedoch annehmen, daß die Langzeitstabilität der Bauelemente besser ist, wenn man das Oxyd wenigstens über den Übergängen und dem Raumladungsausbreitungsbereich stehen läßt.
In Pig= 4 und 5 sind Gleichrichter dargestellt, die das Prinzip der !Teuerung bei Mesa-Gleichrichtern verwendet» Das in Pig» 4 dargestellte Bauelement besitzt im wesentlichen alle Teile, die bei dem in Pig,. 3 dargestellten Bauelement
beschrieben wurden. Der Unterschied zwischen den "beiden Bauformen besteht darin, daß der äußere Sing des n-Eaumladungsbereiehes 32 in dem Bauelement nach I1Ig. 4 entfernt ist, so daß der zentrale Ff Bereich 31 und ein Teil des Raumladungsausbreitungsbereich.es 32 vom I- Typ, der den zentralen H+ Bereieh 31 umgibt, angehoben ist und die Oberseite von dem herausstehenden Bereich 35 abfällt, so daß sich der Aufbau vom Mesa-Typ ergibt. Wiederum ist die Oberseite außer dem Teil, der mit desa oberen Elektrode 33 kontaktiert ist, von einer schützenden isolierenden Schicht 34 bedeckt.
Vielleicht ist das Bauelement nach I1Ig. 5 allgemeiner, was man unter einer Mesabauform versteht. Dabei besteht das Halbleiterplättchen 36 aus einer unteren Zone 37 an-'.der Unterseite von η-Leitfähigkeit und einer oberen Zone 38 an der Oberseite sro.s p-Material. Die Oberseixe wird aus einem in der Mit te/Li eg enden oberen Steg 39 gebildet, der nach allen Seiten wie bei 4o abfällt, wodurch die Bauform vom Mesatyp entsteht. Die obere Zone 38 setzt sich aus einem in der Mitte liegenden P+ Bereich, der im wesentlichen aus einer ebenen Schicht parallel zur oberen Mesa- und Unterseite besteht, und einem an der Oberfläche liegenden Eaumladungsausbreitungsbereich 41 vom p-Typ zusammen, der Im wesentlichen nach dem abfallenden Teil der Oberfläche 4o richtet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist wiederum eine isolierte Schicht 42, wie zum Beispiel SiIi citimdi oxy d an der Oberfläche des Plattehens aufgebracht, und zwar mindestens dort, wo der Übergang 43 zwischen Material mit Leitfähigkeit vom p- und η-Typ bis an die Oberfläche kommt und auch an dem
Teil der Oberseite., der zu dem hochohmigen Bereich 41 vom P-Typ gehört=
Theoretisch arbeiten diese Typen der Bauelemente genauso, wie es im Zusammenhang mit dem Bauelement nach Fig. 1 beschrieben ist» Das Bauelement kann auf verschiedene Art hergestellt sein, einschließlich der Herstellung des Plättehens 36 vom P+ n-Typ, und auch beim Maskieren und Ätzen, um den Mesa herzustellen, und dann bei der Abdeckung des geätzten Teiles der Oberseite 4o, der mit der Siliziumdioxydmaske 42 abfällt und beim Eindiffundieren des Raumladungsau^sbreitungsbereichs 41 vom ρ-Typ.
Eine weitere Abwandlung der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist in Fig. 6 gezeigt. Da die Teile der beiden Ausführungsformen so ähnlich sind, werden dieselben Bezugszeichen für entsprechende Teile verwendet. Das Bauelement nach Fig. 6 unterscheidet sich dadurch von dem in Fig. 3? daß ein Bewegungsbereich 43 vom P+ Typ um den äußeren Ring des RaUmladungsausbreitungsbereiehes vom H-Typ vorgesehen ist, damit die elektrischen Feldlinien an der Oberfläche im Raumladungsausbreitungsbereich 32 und unter der Oxydschicht 34 verlaufen müssen. Ds der Bereich vom P+ Typ denselben Leitfähigkeitstyp besitzt wie die untere Zone 28 vom P-Typ und mit diesem Bereich verbunden ist, wird er als Teil dieser Zone Betrachtet. Also besteht bei dieser Ausführungsform die Zone 28 vom P-Typ aus dem unteren Bereich vom P-Typ und dem oberen Bereich 43 vom P+ Typ.
Eine weitere Ausfuhrungsform eines Gleichrichters, in dem ein Begrenzugsbereich um den RaUmladungsausbreitungsbereich angewendet
wird, ist in Pig. 7 dargestellt« Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der nach Mg» 3 dadurch, daß (wie in dem Gebilde nach Pig. β) die untere Zone 28 vom P-Typ aus zwei Bereichen von p-Material "besteht. In dieser Ausfuhrungsform besteht jedoch einer der Bereiche der Zone 28 vom P-Typ aus einem innen liegenden Bereich 44 vom P-Typ und einen anderen Begrenzungsbereich 45 aus Material vom P+ Typ, der nicht nur den Ra Umladung saus br eitungsber eich 32 an der Oberfläche der Plättchen, sondern auch die Unterseite und Axe Ränder der Plättchen vollständig umgibt. Wieviel von der Oberfläche von dem Auffangbereieh 45 "vom P+ Typ umschlossen wird, hängt offensichtlich davon ab, wie das Plättchen vor der Bildung dieses Bereiches maskiert wird.
In Figuren 8 und 9 sind Bauformen von Bauelementen gemäß der !Teuerung dargestellt, die im Inneren mindestens drei Zonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisen, die wenigstens durch zwei gleichrichtende Übergänge voneinander getrennt sind. In Pig. 8 ist Z0Bo ein Plättehen 46 dargestellt, dessen Bauform vorzugsweise für einen Transistor vom planaren Typ verwendet wird. Das Plättchen 46 besitzt unten eine nleitende Zone 47 (Transistorkollektor), im Inneren eine Basiszone 48 vom p-Typ und oben eine Emitterzone 49 vom η-Typ. Dex" Übergang 5o zwischen der unten liegenden Kollektorzone 47 und der p-Typ Basiszone 48 im Innern ist als Kollektorübergang 5o bekannt. Der Emitterübergang 51 liegt zwischen der η-Emitterzone 49 und der im Inneren liegenden p-Basiszone 48.
Im Transistor bestimmt der Kollektorübergang die Durchbruehsspannung in Sperrichtung und daher muß dieser Übergang gemäß der Neuerung aufgebaut werden. Dementsprechend besteht
die innere Basiszone 48 aus einem mittleren Bereich 52 vom P+ Typ, der den Bereich direkt zwischen dem Emitter- und Kollektorübergang 51 und 5o enthält und sich nach oben um die Emitterzone 49 "bis an die Oberfläche des Plättchens erstreckt. Zusätzlich ist die Basiszone 48 mit einem Raumladungsausbrei tungsb er eich 53 versehen, der wiederum p-leitend ist, und einen relativ hohen Widerstand "besitzt. Die Kollektor- und Basiszone 47 und 48 können genauso geformt werden, wie es im Zusammenhang mit dem Plättchen Io nach Mg. 1 beschrieben ist, und wie es nach den Prinzipien im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform notwendig ist» Wenn man mit einem pn-Plättchen dieser Bauform beginnt, dann kann man den n-Emitterbereieh 49 einfach dadinsh eindiffundieren, wie es nach geeigneter Maskierung durch übliche Techniken möglich ist»
Zur Verwendung dieses Transistors ist die Unterseite des Plättchens 46 mit einer Kollektorelektrode 54 versehen, und die Oberseite mit einer Emitterelektrode 55 s die direkt auf der Oberfläche der n-Emitterzone 49 aufsitzt. Außerdem ist eine Basiselektrode 56 an einem Teil des P+Bereiches 52 der Basiszone 48 angebracht, der sieh bis zur Oberseite des Plättchens ausdehnt»
In der Ausführungsform nach Pig. 9 wird nicht nur der Raumladungsausbreitungsbereieh neben einem Kollektorübergang verwendet, sondern auch eine niederohmige Begrenzungszone« die direkt neben dem Raumladungsausbreitungsbereich und auf gegenüberliegenden Seiten des Überganges, wie es im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Mg. 6 besehrieben wurden, liegt. Das dargestellte Plättchen ist eine Ausführungsform
mit drei Zonen, die als Transistor oder bei nachfolgenden Arbeitsgangen als Grundeinheit für einen Dreipoligen Wechselstromschalter verwendet werden kann. Die beste Möglichkeit ,dieses Ausführungsbeispiel zu "beschreiben, besteht darin, seine Herstellung zu erläutern» Der Halbleiter besteht zu Anfang aus p-Material, das schliesslich den inneren:J3asisbereich 58 vom p-Typ bildet. Die Oberfläche ist mit Ausnaiame eines in der Mitte liegenden Bereiches 59 an der Oberseite und eines in der Mitte liegenden Bereiches 6o an der Unterseite des Plättchens 57 von einer Siliziumdioxydmaske bedeckt. Eine Diffusion wird mit einem n-Diffusionsmittel durchgeführt, wie es im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Mg. 3 beschrieben ist, um die obere M+ Kollektorzone 61 und eine untere B"+ Emitterzone 62 herzustellen. Der Diffusionsprozess wird solange fortgesetzt, bis die Diffusion durch die Oxydschicht hindurch geht, und sich direkt unter dem Oxyd überall am Rest des Plättchenkörpers ein dünner H"- Bereich bildet. Dieser dünne Ή- Bereich wird später dadurch in zwei Teile geteilt, daß das Oxyd von einem Teil der Oberfläche entfernt wird und im wesentlichen um den äußeren Sing ein Fenster 63 bildet. Der Rest des Körpeis wird maskiert, und ein p-Dotierungsmittel eindiffundiert, um einen P+ Begrenzungsbereich 64 um den Ring der Oberfläche des Plättchens zu bilden. Diese Maske kann dann entfernt werden, so daß sie die originale Oxydschicht um den Körper außer über dem oberen Ή+ Kollektorbereich 61, dem Begrenzungsbereieh 64 und dem unteren Ή+ Serefch 62 zurückläßt. Wenn das Bauelement als ein npn-Transistor verwendet wird, dann werden Ohmsehe Kontakte an den entsprechenden Stellen angebracht, d.h. ein Kollektorkontakt 65 wird an dem oberen IT+ Kollektorbereich
ein unterer Emitterkontakt 66, an dem unteren Emitterbereich 62 angebracht. Ein Ohmscher Basiskontakt 67 wird an einem Tei!J- des P+ Begrenzungsbereieh.es 64 angebracht« Folglich setzt sieh in diesem Bauelement die Kollektorzone 61 aus zwei Bereichen zusammen, nämlich dem mittleren Έ+ Bereich 68 und dem umgebenden hochohmigen RaUmladungsausbreitungsbffeieh 69c In ähnlicher Weise setzt sich die untere n-Emitterzone 62 aus einem mittleren Ή+ Bereich 7o und aus einer umgebenden Έ-Raumladungsausbreitungszone 71 zusammen, die bei diesem Ausführungsbeispiel den mittleren 1+ Bereich 7o umgibt, und sich um den Rand des Plättehens bis zum P+ Begrenzungsbereich 64 erstreckt«
Die Bauelemente nach lig. Io und 11 gemäß der Erfindung können als gesteuerte Gleichrichter verwendet werden. D.h., beide Ausführungsformen-nach Fig= Io und 11 sind npnp-Bauelemente. Das Bauelement nach Fig« Io wird so hergestellt, daß man mit einem Körper aus Material vom n-Leitfähigkeitstyp 75 beginnt, das schließlich im Innern die η-Zone des Bauelementes bildet. Die p-Zonen 76 und werden in die Ober- und Unterseite des Körpers 75 gleichartig und mit einer Oxydmaske, wie sie oben beschrieben ist, eindiffundiert. D.h., diese Diffusion wird so gemacht, daß die untere p-Emitterzone 76 aus einem mittleren P+ Bereich 78 besteht, der von einem p-Raumladungsausbreitungsbereich umgeben ist, und aus einer oberen p-Zone 77 des mittleren P- Bereiches 78, der von einem P- RaUmladungsausbreitungsbereich 81 umgeben ist. Man sieht, daß ein unterer Emitterübergang 82 zwischen dem unteren Emitter 76 und dem n-Bereich im Irnern gebildet wird, und ein Kollektorübergang 83 zwischen
der oberen p-Zone 77 und dem inneren n-Bereich 75« Jeder dieser Übergänge arbeitet so, wie es im Zusammenhang mit dem Übergang 15 des Gleichrichters nach Hg. 1 beschrieben wurde, so daß sich bei Betrieb in Sperrichtung (Sperrspannung an einem besonderen Übergang) ein elektrisches leid in dem Haumladnngsausbreitungsbereich ausbreitet. Wie es hier dargestellt ist, befinden sich auf dem oberen und unteren Raumladungsausbreitungsbereich 81 und 79 jeweils die isolierenden Schichten 84 und 85, so daß der kritischke Oberflächenbereich des Plättchens in der Wirkung passiviert ist. !Diese Oxydschichten sind vorzugsweise ein Teil der ursprünglichen Maske, die bei der Herstellung der Übergätge des Bauelementes verwendet wird c
Um das npnp-Ausführungsbeispiel zu vervollständigen, wird oben eine n-Emitterzone 85 in die obere p-Zone 77 eindiffundiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die obere E- Emitterzone 86 so dargestellt, als ob sie aus zwei getrennten n-Bereichen 87 und 88 besteht. Das ist jedoch nicht notwendig. Es ist aber eine sehr gute Möglichkeit, Emitterelektroden 89 und Qo auszubilden, die sich über den Emitterübergang ausdehnen, der zwischen den n-Emitterbereichen 87 und auf dem oberen P+ Bereich 8o gebildet wird. An dem unteren P+ Bereich 78 ist eine untere Emitterelektrode 91 angebracht. Die untere Emitterelektrode 91 und die beiden oberen Emitterelektroden 89 und 9o bilden die Hauptelektroden des Bauelementes. Um das Bauelement an bzw. abzuschalten, ist zwischen den Bereichen 87 und 88 der oberen Emitterzone 86, eine G-att er elektrode 92 vorgesehen. Da die Arbeitsweise des gesteuerten Gleichrichters bekannt ist, wird sie hier nicht nocheinmal beschrieben.
-2ο-
Εχη weiteres gesteuertes Gleichrichterausführungsbeispiel gemäß der feuerung, wie es z.B. in Verbindung mit dem Gleichrichter nach I1Xg. 6 beschrieben wurde und das eine Begrenzungszone besitzt j ist in Mg. 11 dargestellt. Hierbei besteht das gleichrichtende Plättchen 96 aus einem monokristallinen Halbleitermaterial mit drei gleichrichtenden Übergängen zwischen vier Zonen von abwechselndem Leitfähigkeitstyp. Das Plättchen wird dadurch hegestellt, daß man Silizium mit n-Leitfähigkeit nimmt 5 das dann die innere n-Zone 97 bildet, und es mit einem Akzeptormaterial, wie Gallium oder Bor diffundiert ist, so daß die untere p-Emitterzone 98 entsteht. Ausserdem wird die Oberseite des Bauelementes nach dem Maskieren, wie es oben beschrieben wurde, so diffundiert, daß sich eine innere p-Zone 99 und ein Übergang loo so ausbildet, wie es im Zusammenhang mit dem Gebilde nach I1Xg. 3 beschrieben wurde. D.h., die obere p-Zone 99 besteht aus einem inneren P+ Bereich lol, der Ton einem Eaumladungsbereich Io2 von hohem Flächenwiderstand umgeben ist. Also arbeitet der Übergang genauso, wie es in Verbindung mit dem Übergang 3o des Ausführungsbexspieles nach Pig. 3 und dem Übergang 15 des Ausführungsbeispiels nach fig. I beschrieben worden ist«
ITm das Ausführungsbeispiel des Silizium gesteuerten Gleichrichters zu ver-voLlständigen, wird in den oberen P+ Bereich lol, der oberen P-Zone 99 eine obere η-Emitterzone Io3 eindiffundiert. Gleichzeitig wird ein Ή+ Begrenzungsbereich Io4 in einen Außenring der Oberseite des Bauelementes tief genug eindiffundiert, so daß er sich bis in die innere 1-Zone 97 ausdehnt, und in dieser Zone einen zweiten Bereich desselben Leifähxgkeitstypes bildet. Dieser Begrenzungsbereich arbeitet genau auf die gleiche Weise, wie es im Zusammenhang mit dem Begrenzungsbereich 43 des in I1Xg. 6 dargestellten Gleichrichters beschrieben wurden.
Wiederum wird in diesem Ausführungsbeispiel der Raumladungsausbreitungsbereich Io2 durch eine isolierende Schient Io5 abgedeckt, der wiederum am besten ein Teil der ursprünglichen Siliziumdioxydmaske ist, die bei der Herstellung der Übergänge der Bauelemente verwendet wurde. Die Spannungsfestigkeit dieses besonderen Bauelementes wird durch die Gestalt der Plättehenoberfläche vergrößert, d.h. durch Abschrägen der Oberfläche« I1Ur den Hauptleitungsweg des Stroms sind obere und untere Emitterelektroden I06 und Io7 an der oberen Ή+ Emitterzone Io3 und unteren p-Emitterzone 98 jeweils angebracht. Ein Gatterkontakt oder Elektrode (nicht dargestellt) ist an der Oberfläche, des mittleren P+ Bereiches lol der Zone 99 befestigt, so daß man mit dem Gatter schalten kann.

Claims (1)

  1. RA.672 429*23.1265
    bciiutzansprüche
    !„Halbleiterbauelement, das aus einem Plättchen aus Hlableitermateri&.l besteht, äas im Inneren wenigstens einen Übergang zwischen zv/ei Zonen ^ea.. entgegengesetzten Leitfähigkeitstypes besitzt und dadurch einen gleichrichtenden Übergang dazwischen bildet; mit Elektroden an gegenüberliegenden Seiten des Überganges des Plättchens, zwischen denen sich ändernde normp.le ^etriebopanrr.mgen angelegt werden, wodurch sich eine Haumladungszoiie in dam Bereich des Überganges bildet, mit einer Zone, die aus einem ersten und zweiten Bereich vom gleichen Leitfähigkeitstyp beaveht, dadurch gekennzeichn a t, drß der zweite oereich den ersten Bereich an einer Oberfläche des Plättchens vollständig umgibt und direkt neben ih;a liegt und relativ zum ersten Bereich schwach dotiert ist, u.nd zwar sos c.?ß sich im wesentlichen vor dem Lawinendurchbruch :.±e Raumladungsschicht über die ganze Oberfläche des aweiten Bereiches erstreckt=
    2. halbleiterbauelement nach Anspruch 1, d a d u r c Ii gekennzeichnet, daß eine isolierende Schicht wenigstens :-inen Teil der äußeren Oberfläche des zweiten Bereiches bedeckt.
    3« Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich einen ?läclienwiderstand von mehr als 100 Ohm besitzt ο
    4. Halbleiterbauelement nach """nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich dicker als der zweite i^t.
    Z-- halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ^ e k e η η ζ ~ i ohne t, daß eine der Zonen einen ersten, zweiten und dritter. Bereich gleichen -^eitfähigkeitstypes entüält, daß der dritte Bereich den zweiten Bereich an einer Ober-
    -2-
    fläche des Plättciiens vollständig umgib τ und relativ zum zweiten Bereich schwach dotiert ist, wobei sich die Raumladungsschicht im wesentlichen über die ganze Oberfläche des zweiten und dritten Bereiches vor dem Lawinendurchbruch erstreckt.
    o. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, d a d u rc h gekennzeichnet, daß der zweite Bereich einen
    --erstand von mehr als 100 Ohm besitzt und der dritte Bereich einen ilächenwiderstand besitzt, der wenigstens Z-O'fo größer als eier des zweiten Bereiches ist.
    7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 55 dadurch c; e kennzeichnet, daß die"zweite Zone einen
    dritten und ;ierten Bereich gleichen Iieitfähig'keitstvpes enthält, wobei ,.er dritte Bereich den zweiten an einer Oberfläche Jes Plättchens vollständig umgibt, und relativ auffi. zweiten und vierten Bereich hoch dotiert ist, so daß der Raumladun-sbereich an dem übergang die Oberfläche des Platteneis im zweiten Bereich schneiden muß.
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