DE19804580A1 - Leistungshalbleiterdiode - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode, die in Schaltungen, in denen hohe Spannungen und Ströme auftre­ ten, eingesetzt werden kann.

Ein Ziel bei der Entwicklung moderner Schaltungen ist die Verminderung der Anzahl erforderlicher Schaltungskomponenten wie z. B. Kondensatoren oder Widerstände. Insbesondere wird versucht, Schutzbeschaltungen zu reduzieren, was zu erhöhten Belastungen der Bauelemente führt. An die Belastbarkeit die­ ser Bauelemente mit starkem Strom- oder Spannungsanstieg oder -abfall sind daher erhöhte Anforderungen zu stellen. Bei schnellen Abschaltvorgängen kann es bei Leistungsdioden zum dynamischen Avalanche kommen. Hervorgerufen wird dieser Ef­ fekt durch Löcher (Defektelektronen), die durch die Raumla­ dungszone, die sich am pn-Übergang bildet, zur Anode hin fließen. Diese Ladungsträger wirken bei hinreichend großen Stromdichten wie eine zusätzliche Dotierung des Halbleiterma­ teriales im Bereich der Raumladungszone und können zur Erzeu­ gung weiterer Ladungsträger führen (Avalanche-Effekt oder La­ wineneffekt). Das erfolgt bei elektrischen Spannungen, die weit unterhalb der Durchbruchspannung der Diode im stationä­ ren Betrieb liegen. Fließt Strom durch ein Bauelement, so diffundieren Ladungsträger aus dem aktiven Bereich in den Randbereich des Bauelementes. Wird eine in Durchlaßrichtung angelegte Spannung abgeschaltet, kann das Abfließen von La­ dungsträgern, die aufgrund der Diffusion seitlich des p- Emitters bzw. des p-Emitter-Kontaktes vorhanden sind, durch die Anschlußkontakte zu erhöhten Stromdichten im Randbereich führen. Dort kann das Bauelement zerstört werden, wenn die Erzeugung von Ladungsträgern infolge des beschriebenen dyna­ mischen Avalanche-Effektes zu stark ist. Dieses Problem tritt vor allem dann auf, wenn der n-Emitter größer oder nur unwe­ sentlich (d. h. um ca. die Dicke des Bauelementes) kleiner ist als der p-Emitter.

In der EP 0 262 356 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung ei­ nes pn-Übergangs hoher Spannungsfestigkeit beschrieben, bei dem der Randbereich eines dotierten Bereiches, der an der Oberseite eines Halbleiterkörpers ausgebildet ist und dessen Grenzfläche einen pn-Übergang bildet, der sich am Rand zur Oberseite des Halbleiterkörpers hin krümmt, nach außen hin mit einer allmählich abnehmenden Dotierungskonzentration ver­ sehen wird. Es wird dazu eine Halbleiterschicht auf der Ober­ seite als Dotierstoffquelle verwendet und die Dosis der Ein­ diffusion des Dotierstoffes durch mehrere in dieser Halblei­ terschicht ausgeätzte Aussparungen unterschiedlicher Breite nach außen hin zunehmend reduziert.

In der US 5,284,780 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Span­ nungsfestigkeit eines Halbleiterbauelements mit mehreren Schichten alternierender Leitfähigkeitstypen beschrieben. Mit diesem Verfahren werden bei Thyristoren die Randabschlüsse eines pn-Überganges mit Elektronen bestrahlt, um die Lebens­ dauer der Ladungsträger in diesen Bereichen zu verringern. Dadurch werden die Stromverstärkung im Randbereich verringert und die Spannungsfestigkeit des Bauelementes erhöht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Leistungsdiode in Halbleitermaterial anzugeben, die für den Einsatz in Schaltungen geeignet ist, in denen die Diode bis an die Grenzen der Belastbarkeit betrieben wird.

Diese Aufgabe wird mit der Leistungsdiode mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Leistungsdiode wird ein Randbereich so modifiziert, daß der dynamische Avalanche-Effekt, der ein­ gangs beschrieben wurde, wirkungsvoll unterdrückt oder zumin­ dest in seiner Auswirkung begrenzt wird. Die Leistungsdiode besitzt eine Struktur von dotierten Bereichen mit einem pn- Übergang in einem Halbleiterkörper. Der pn-Übergang erstreckt sich quer zur Hauptrichtung des Strompfades, die durch zwei Bereiche, die für zueinander entgegengesetzte Vorzeichen der elektrischen Ladung dotiert sind, bestimmt ist. Diese Berei­ che sind an zwei einander gegenüberliegenden Oberseiten eines mit einer Grunddotierung versehenen Halbleiterkörpers ausge­ bildet und mit Anschlußkontakten versehen.

Der Strom fließt im Betrieb der Diode im wesentlichen senk­ recht zu diesen Oberseiten durch das Halbleitermaterial. An den Rändern des Strompfades ist die erfindungsgemäße Lei­ stungsdiode so beschaffen, daß im Durchlaßzustand der Diode im Randbereich die Ladungsträgerkonzentration stärker abge­ senkt ist als im übrigen Bereich. Daher treten bei Abschalten eines Stromes in Flußrichtung keine hohen Stromstärken infol­ ge abfließender Ladungsträger an den Rändern des Strompfades auf, insbesondere nicht im Bereich des pn-Überganges unter­ halb des Randes des p⁺-Kontaktes.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß vermehrt Re­ kombinationszentren in den Randbereich eingebracht werden oder daß die Ladungsträgerinjektion im Betrieb der Diode zum Rand hin dadurch herabgesetzt wird, daß die Dotierungskonzen­ tration eines n⁺-dotierten oder p⁺-dotierten Bereiches, auf dem ein Kontakt aufgebracht ist, (n-Emitter bzw. p-Emitter) zum Rand hin abnimmt. Es können diese Mittel auch gemeinsam vorhanden sein.

Es folgt eine Beschreibung der Leistungsdiode anhand der Fig. 1 bis 5.

Fig. 1 zeigt die Grundstruktur der Diode.

Fig. 2 zeigt eine Diode mit einem Randbereich verminderter Dotierungshöhe unter einem begrenzten Kontakt.

Fig. 3 zeigt eine Diode mit einem Ranbereich verminderter Dotierungshöhe unter einem ganzflächigen Kontakt.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Dioden der Fig. 1 bis 3.

Fig. 5 zeigt eine Diode mit einer Mesa.

Die nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 beschriebenen Aus­ führungsformen der Leistungsdiode sind nur als konkrete Bei­ spiele zu verstehen. Anhand dieser Beispiele soll das Wesent­ liche der Erfindung erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Leistungsdiode im Querschnitt. Ein Halb­ leiterkörper 1 weist eine Grunddotierung auf, die in diesem Fall aus einer niedrigen Dotierungskonzentration für n⁻- Leitfähigkeit besteht. In diesem Halbleiterkörper sind an einander gegenüberliegenden Oberseiten ein hoch p⁺-leitend dotierter Bereich 2 und ein hoch n⁺-leitend dotierter Bereich 3 ausgebildet. In diesem Beispiel bildet der p⁺-leitend do­ tierte Bereich 2 mit dem Bereich der Grunddotierung den pn- Übergang und ist lateral begrenzt. Der pn-Übergang 11 kann in der Mitte planparallel zur Oberseite des Halbleiterkörpers verlaufen und seitlich zu dieser Oberseite hin gekrümmt sein oder nicht lateral begrenzt sein, was in der Fig. 1 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Kontakte 5, 6 für elektrischen Anschluß sind auf den äußeren Oberflächen dieser Bereiche 2, 3 aufgebracht. Diese Kontakte sind vorzugsweise aus Metall. Die Vorzeichen der Dotierungen sind in den Figu­ ren nur als Beispiel angegeben und können vertauscht sein.

Der Stromfluß ist seitlich begrenzt, bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 durch den seitlich begrenzten Kontakt 5. Durch die Anordnung der dotierten Bereiche 2, 3 ist eine Hauptrich­ tung 4 für den Strompfad im Betrieb des Bauelementes be­ stimmt. Diese Hauptrichtung 4 ist hier in der Flußrichtung der Elektronen eingezeichnet.

Im mittleren Bereich 7 der Diode ist der Stromfluß in etwa homogen, was durch die parallelen Pfeile angedeutet ist. Wenn die Diode abgeschaltet wird, fließen in dem äußeren Bereich 8 die Ladungsträger zu dem Kontakt 5 hin ab, was in einer er­ höhten Stromdichte resultierte, falls nicht erfindungsgemäß für eine geringe Ladungsträgerdichte in diesem Bereich ge­ sorgt wäre.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Konzentra­ tion an Rekombinationszentren in dem äußeren Bereich 8 gegen­ über den mittleren Bereich 7 der Diode erhöht. Diese Rekombi­ nationszentren sind dafür vorgesehen, die Rekombination der im Betrieb des Bauelementes in den seitlichen Bereichen, ins­ besondere einer entstehenden Raumladungszone, erzeugten La­ dungsträger zu ermöglichen. Der äußere Bereich 8 ist zu die­ sem Zweck modifiziert, was z. B. durch eine Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen oder durch Einbringen von Schwer­ metallatomen bewirkt sein kann. Bei der Herstellung werden die nicht zu modifizierenden Anteile des Halbleiterkörpers mit Masken abgedeckt.

Als hochenergetische Teilchen können z. B. Elektronen, Proto­ nen oder Helium eingestrahlt werden. Die Maskierung ist so auszuführen, daß nur in dem äußeren Bereich des Bauelementes die Strahlung ungehindert auf das Halbleitermaterial auf­ trifft. Die Maske zur Abdeckung des zentralen Bereichs kann z. B. eine Metallmaske, zum Beispiel aus einer ca. 2 cm dic­ ken Scheibe aus gewöhnlichem Stahl, Wolfram, Eisen, Molybdän, Blei, aber auch aus Silizium sein. Bei Bestrahlung mit Elek­ tronen wird bevorzugt eine Elektronenenergie zwischen 1 MeV und 16 MeV, typisch etwa 5 MeV, und eine Elektronendichte zwischen 10¹³ und 10¹⁵ Elektronen/cm² gewählt. Durch die Be­ strahlung werden in dem Halbleitermaterial Zentren erzeugt, die als Rekombinationszentren für die Ladungsträger wirken und daher im Betrieb des Bauelementes die Ladungsträgerkon­ zentration verringern.

Alternativ zu der Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen können z. B. durch maskierte Implantation oder maskierte Dif­ fusion Schwermetallatome in den äußeren Bereich 8 des Bauele­ mentes eingebracht werden. Der äußere Bereich 8 enthält bei diesem Ausführungsbeispiel eine bestimmte erhöhte Konzentra­ tion an Schwermetallatomen als Rekombinationszentren. Solche Schwermetallatome können z. B. Goldatome oder Platinatome sein.

Die Lebensdauer der Ladungsträger in dem äußeren Bereich 8 kann beispielsweise auch durch Bestrahlen mit Gammastrahlen modifiziert werden, wobei infolge der zusätzlich erzeugten Energieniveaus im Atomgitter des Halbleitermateriales die Re­ kombinationsrate erhöht wird und somit Speicherladungen schneller entfernt werden, womit beispielsweise die Freiwer­ dezeit der Diode verkürzt wird. Dazu wird z. B. über dem Randbereich eine Maske angeordnet, in der durch Elektronenbe­ strahlung eine Gammastrahlung als Bremsstrahlung erzeugt wird. Um eine geeignete Dosis von Gammastrahlen, beispiels­ weise 10¹² cm², zu erhalten, werden das Material und/oder die Dicke der Bestrahlungsmaske in entsprechender Weise gewählt. Hierfür können z. B. Bestrahlungsmasken aus einer 1 bis 2 cm dicken Stahl- oder Molybdänscheibe verwandt werden. Da die Elektronenbestrahlung normalerweise ganzflächig durchgeführt wird und ebenfalls zur Einstellung der Trägerlebensdauer ver­ wendet wird, muß der Innenbereich der Diode so abgedeckt wer­ den, daß weder Elektronen noch Gammastrahlung in nennenswer­ ter Menge dort ankommen. Dies kann z. B. durch dicke Metall­ masken oder effektiver durch eine sogenannte Sandwich-Maske erreicht werden, die oben z. B. aus Silizium zum Abfangen der Elektronen und darunter z. B. aus Blei zum Abfangen der Gammastrahlung besteht.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird eine geringere Ladungsträgerkonzentration im äußeren Bereich dadurch er­ reicht, daß am Rand des Strompfades der dotierte Bereich 2 eine niedrigere Dotierungskonzentration aufweist. Das wird z. B. durch die in der Fig. 2 eingezeichneten Bereiche 12 niedrigerer Dotierungskonzentration (in dem Beispiel p⁻) er­ reicht. Statt einer einstufigen kann eine mehrstufige oder eine stetige Abnahme der Dotierungskonzentration in dem Be­ reich 2 nach außen hin vorhanden sein. Die Ladungsträgerkon­ zentration im Betrieb der Diode nimmt dann nach außen hin so ab, daß auch bei homogener Verteilung von Rekombinationszen­ tren der dynamische Avalanche-Effekt beim Abschalten der Spannung in Flußrichtung nicht oder nur in geringem Umfang auftritt. Zusätzlich kann die Dichte der Rekombinationszen­ tren durch Eindiffusion oder Bestrahlung wie oben beschrieben nach außen hin erhöht sein.

Die angegebene Struktur läßt sich z. B. in der Weise reali­ sieren, daß ein Implantations- oder Diffusionsprozeß für die Dotierung des Bereiches 2 in einen mit einer Grunddotierung versehenen Halbleiterkörper durchgeführt wird. Die Temperatur und die Diffusionszeit werden der gewünschten Abmessung des zentralen p⁺-Bereiches 2 unter Berücksichtigung der Diffusi­ onskonstante des Dotierstoffes angepaßt. Die Eindringtiefe des Dotierstoffes kann z. B. durch die Dauer des Temperpro­ zesses eingestellt werden. Die unterschiedliche Dotierungs­ konzentration in den Bereichen 2 und 12 kann durch unter­ schiedliche Dosierung des Dotierstoffes, vorzugsweise unter Verwendung einer Maske, erzeugt werden. Die nach außen hin abnehmende Dotierungskonzentration kann auch mit einem Ver­ fahren hergestellt werden, wie es in den eingangs zitierten Patenten beschrieben ist.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Halbleiterkör­ per z. B. pyramidenstumpfförmig oder kegelstumpfförmig. Der Kontakt 5 auf der kleineren Grundseite ist seitlich so be­ grenzt, daß er diese Grundseite nicht vollständig bedeckt. Zwischen dem Kontakt 5 und den Kanten 9 des auf dieser Seite stumpfwinkligen Halbleiterkörpers kann ein für Leistungshalb­ leiterbauelemente üblicher Randabschluß, z. B. ein weiterer niedrig dotierter Bereich, vorhanden sein. Statt dessen kann der Kontakt 5 die kleinere Grundseite vollständig bedecken. Der pn-Übergang 11 ist dann eben. Der Halbleiterkörper kann auch zylindrisch oder quaderförmig sein.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der dotierte Bereich 3, der ganzflächig mit einem Kontakt 6 versehen ist, zum Rand der Diode hin niedriger dotiert ist. Der niedriger dotierte äußere Bereich 13 bewirkt eine geringere Stromdichte in dem äußeren Bereich 8 der Diode. Die niedriger dotierten Randbereiche bei der erfindungsgemäßen Leistungsdiode können daher lateral innerhalb des Halbleiterkörpers begrenzt oder unbegrenzt sein oder unter einem lateral begrenzten oder un­ begrenzten Kontakt vorhanden sein. Es kann ein üblicher Randabschluß des pn-Überganges 11 z. B. in Gestalt des ge­ strichelt eingezeichneten p⁻-dotierten Bereiches im Anschluß an den Bereich 2 vorhanden sein.

Die beiden Kontakte 5, 6 können so begrenzt sein, daß sie die betreffende Oberseite des Halbleiterkörpers nicht ganz bedec­ ken, wie in dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel. Auch bei dieser Ausführung können einzeln oder in Verbindung miteinander Rekombinationszentren oder niedriger dotierte la­ terale Bereiche unter einem oder beiden Kontakten zur Absen­ kung der Ladungsträgerinjektion in den seitlichen Bereich 8 (Bereich 12 bzw. Bereich 13 mit gestrichelt eingezeichneter Begrenzung) vorhanden sein. Es kann auch hier der in Fig. 3 mit einer gestrichelten Linie dargestellte p⁻-dotierte Be­ reich als Randabschluß des pn-Überganges vorhanden sein. Ein solcher Randabschluß kann Teil des niedrig dotierten Berei­ ches 12 zur Reduktion der Stromdichte am Rand des Strompfades sein.

Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel der Fig. 5 mit einem alternativen Randabschluß ist der Kontakt 5 auf eine Mesa 14 aufgebracht, zu der der Halbleiterkörper auf einer Oberseite z. B. durch seitliches Ausätzen verjüngt ist. Zusätzlich zu der oberen Kante 9 der Mesa 14 bildet der Halbleiterkörper an dieser Oberseite bis zur Kante 19 eine weitere Oberfläche, die den eigentlichen Rand bildet. Als Beispiel ist hier der niedriger dotierte Bereich 12 mit gestrichelter Begrenzung eingezeichnet. Auch bei der Ausführungsform mit Mesa kann entsprechend den Fig. 3 und 4 der Kontakt 6 auf der gegen­ überliegenden Oberseite begrenzt sein oder auf einem seitlich niedriger dotierten Bereich aufgebracht sein. Die Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.

Claims (8)

1. Leistungsdiode in Halbleitermaterial,

• - bei der in einem Halbleiterkörper (1) mit einer Grunddotie­ rung für elektrische Leitfähigkeit an einander gegenüber­ liegenden Oberseiten zwei Bereiche (2, 3) vorhanden sind, die für elektrische Leitfähigkeit zueinander entgegenge­ setzter Vorzeichen dotiert sind,
• - bei der diese Bereiche mit Kontakten (5, 6) für elektri­ schen Anschluß versehen sind und
• - bei der durch eine Verringerung der Konzentration von Do­ tierstoff und/oder eine Erhöhung der Konzentration von Re­ kombinationszentren im äußeren Bereich (8) eines für einen Stromfluß vorgesehenen Bereiches (7, 8) bewirkt ist, daß im Betrieb der Leistungsdiode eine Ladungsträgerkonzentration in diesem äußeren Bereich (8) gegenüber einer ansonsten gleichartigen Struktur vermindert ist.

2. Leistungsdiode nach Anspruch 1, bei der die Konzentration von Rekombinationszentren in dem äußeren Bereich (8) durch Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen und/oder mit Gammastrahlen erhöht ist.

3. Leistungsdiode nach Anspruch 1, bei der die Konzentration von Rekombinationszentren in dem äußeren Bereich (8) durch Einbringen von Schwermetallatomen erhöht ist.

4. Leistungsdiode nach Anspruch 1, bei der die Konzentration von Dotierstoff in einem dotierten Bereich (2; 3), auf dem ein Kontakt (5; 6) aufgebracht ist, in einem von dem Kontakt bedeckten Anteil (12; 13) am Rand des Kontaktes geringer ist als in einem restlichen von dem Kontakt bedeckten Anteil.

5. Leistungsdiode nach Anspruch 4, bei der der betreffende Kontakt (5) auf dem dotierten Bereich (2) mit zur Grunddotierung des Halbleiterkörpers entgegenge­ setztem Vorzeichen der Leitfähigkeit aufgebracht ist und Ab­ messungen aufweist, die in der betreffenden Oberseite des Halbleiterkörpers in jeder Richtung höchstens um eine Dicke der Leistungsdiode größer sind als die jeweils entsprechende Abmessung des auf dem n-leitend dotierten Bereich (3) aufge­ brachten Kontaktes (6).

6. Leistungsdiode nach Anspruch 4, bei der der betreffende Kontakt (5) auf dem dotierten Bereich (2) mit zur Grunddotierung des Halbleiterkörpers entgegenge­ setztem Vorzeichen der Leitfähigkeit aufgebracht ist, bei der der Halbleiterkörper (1) verschieden große Oberseiten aufweist, auf denen die Kontakte (5, 6) aufgebracht sind, und bei der der Kontakt (6), der auf dem dotierten Bereich (3) mit zur Grunddotierung des Halbleiterkörpers gleichem Vorzei­ chen der Leitfähigkeit aufgebracht ist, die größere Oberseite des Halbleiterkörpers bedeckt.

7. Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die Konzentration von Dotierstoff des betreffenden dotierten Bereiches (2; 3) stetig zu dem Anteil am Rand des betreffenden Kontaktes (5; 6) hin abnimmt.

8. Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Konzentration von Dotierstoff in beiden dotierten Bereichen (2, 3), auf denen Kontakte (5, 6) aufgebracht sind, jeweils in einem von dem zugehörigen Kontakt bedeckten Anteil (12, 13) am Rand dieses Kontaktes geringer ist als in einem restlichen von dem Kontakt bedeckten Anteil des betreffenden dotierten Bereiches.