DE19804580C2 - Leistungsdiode in Halbleitermaterial - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsdiode in Halbleitermaterial nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1

Eine die Merkmale dieses Oberbegriffs aufweisende Diode ist aus WO 96/03774 A1 bekannt.

Aus Abstrakt zu JP 6-37 336 A ist eine Diode in Halbleiterma­ terial bekannt, bei der in einem Halbleiterkörper mit einer Grunddotierung für elektrische Leitfähigkeit an einander ge­ genüberliegenden Oberseiten zwei dotierte Bereiche vorhanden sind, die vom zueinander entgegengesetzten Leitungstyp sind, bei der diese Bereiche mit Kontakten für elektrischen An­ schluß versehen sind, und bei der durch eine Verringerung der Konzentration von Dotierstoff und/oder eine Erhöhung der Kon­ zentration von Rekombinationszentren im äußeren Bereich eines für einen Stromfluss vorgesehenen Bereiches bewirkt ist, dass im Betrieb der Leistungsdiode eine Ladungsträgerkonzentration in diesem äußeren Bereich gegenüber einer ansonsten gleichar­ tigen Struktur vermindert ist.

In Bezug auf die Verringerung der Konzentration von Dotier­ stoff ist neben der genannten WO 96/03774 A1 auch auf das Ab­ stract zu JP 09-246 571 A hinzuweisen.

Aus der DE 43 10 444 C2 ist die Erzeugung von Rekombinations­ zentren durch Bestrahlung einer Leistungsdiode mit hochener­ getischen Teilchen und das Einbringen von Schwermetallatomen bekannt.

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 Halbleiterschicht 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 Leistungsdiode 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.

Es folgt eine Beschreibung der Leistungsdiode anhand der Fig. 1 bis 3.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä­ ßen Diode.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Diode.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Diode mit einer Mesa, wobei auf der der Mesa gegenüberliegenden Oberseite des Halbleiterkörpers die erniedrigte Konzentration von Dotierstoff der Einfachheit halber fortgelassen ist.

Die nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 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 dem 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.

Eine geringere Ladungsträgerkonzentration im äußeren Bereich dadurch kann auch dadurch erreicht werden, daß am Rand des Strompfades der dotierte Bereich 2 eine niedrigere Dotie­ rungskonzentration aufweist. Das wird z. B. durch 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.

Der Halbleiterkörper ist z. B. pyramidenstumpfförmig oder ke­ gelstumpfförmig. Der Kontakt 5 auf der kleineren Grundseite ist seitlich so begrenzt, daß er diese Grundseite nicht voll­ ständig bedeckt. Zwischen dem Kontakt 5 und den Kanten 9 des auf dieser Seite stumpfwinkligen Halbleiterkörpers kann ein für Leistungshalbleiterbauelemente üblicher Randabschluß, z. B. ein weiterer niedrig dotierter Bereich, vorhanden sein. Statt dessen kann der Kontakt 5 die kleinere Grundseite voll­ ständig bedecken. Der pn-Übergang 11 ist dann eben. Der Halb­ leiterkörper kann auch zylindrisch oder quaderförmig sein.

Der dotierte Bereich 3 in Fig. 1, der ganzflächig mit einem Kontakt 6 versehen ist, ist zum Rand der Diode hin niedriger dotiert. Der niedriger dotierte äußere Bereich 13 bewirkt ei­ ne geringere Stromdichte in dem äußeren Bereich 8 der Diode. Die niedriger dotierten Randbereiche bei der erfindungsgemä­ ßen Leistungsdiode können daher lateral innerhalb des Halb­ leiterkörpers begrenzt oder unbegrenzt sein oder unter einem lateral begrenzten oder unbegrenzten Kontakt vorhanden sein. Es kann ein üblicher Randabschluß des pn-Überganges 11 z. B. in Gestalt des gestrichelt eingezeichneten p^--dotierten Be­ reiches 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. 2 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. 1 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. 3 mit einem alternativen Randabschluß ist der Kontakt 5 auf eine Mesa 14 aufgebracht, zu der der Halbleiterkörper auf einer Oberseite z. B. durch seitliches Aussätzen 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 ist, obwohl es nicht eingezeichnet ist, entsprechend den Fig. 1 und 2 und der Kontakt 6 auf der gegen­ überliegenden Oberseite auf einem seitlich niedriger dotierten Bereich aufgebracht. Er kann außerdem seitlich begrenzt sein. Die Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.

Claims (6)

1. Leistungsdiode in Halbleitermaterial, bei der
in einem Halbleiterkörper (1) mit einer Grunddotierung für elektrische Leitfähigkeit an einander gegenüberliegenden Oberseiten zwei dotierte Bereiche (2, 3) vorhanden sind, die vom zueinander entgegengesetzten Leitungstyp sind,
auf jedem der beiden Bereiche (2, 3) je ein Kontakt (5, 6) für elektrischen Anschluß aufgebracht ist, und
in einem (2; 3) der beiden Bereiche (2, 3) die Konzentrati­ on von Dotierstoff in einem vom Kontakt (5; 6) dieses Be­ reichs (2; 3) bedeckten Anteil (12; 13) am Rand dieses Kon­ taktes (5; 6) geringer ist als in einem von diesem Kontakt (5; 6) bedeckten restlichen Anteil,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem anderen (3; 2) der beiden dotierten Bereiche (2, 3) die Konzentration von Dotierstoff in einem vom Kontakt (6; 5) dieses anderen Bereichs (3; 2) bedeckten Anteil (13; 12) am Rand dieses Kontaktes (6; 5) geringer ist als in einem rest­ lichen von diesem Kontakt (6; 5) bedeckten Anteil.

2. Leistungsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine Konzentration von Rekombinationszen­ tren in einem bezüglich eines mittleren Bereichs (7) der Diode äußeren Bereich (8) der Diode durch Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen und/oder mit Gammastrahlen erhöht ist.

3. Leistungsdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Konzentration von Rekombinations­ zentren in dem äußeren Bereich (8) durch Einbringen von Schwermetallatomen erhöht ist.

4. Leistungsdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt (5) auf dem dotierten Bereich (2) des zur Grunddotierung des Halblei­ termaterials entgegengesetzten Leitungstyps Abmessungen aufweist, die in der diesen Bereich (2) betreffenden Obersei­ te des Halbleiterkörpers (1) in jeder Richtung höchstens um eine in einer Hauptrichtung (4) eines Strompfades in der Diode gemessenen Dicke des Halbleiterkörpers (1) größer sind als die jeweils entsprechende Abmessung des Kontaktes (6) auf dem dotierten Bereich (3) des zur Grunddotierung des Halblei­ termaterials gleichen Leitungstyps.

5. Leistungsdiode nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseiten des Halbleiterkörpers (1) verschieden groß sind und der Kontakt (6) auf dem dotierten Bereich (3) mit dem zur Grunddotierung des Halbleiterkörpers (1) gleichen Leitungstyp die größere Oberseite des Halbleiterkörpers (1) bedeckt.

6. Leistungsdiode nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, bei der die Konzentration von Dotierstoff eines dotierten Bereiches (2; 3) stetig von dem vom Kontakt ((5, 6) auf diesem Bereich (2; 3) bedeckten restlichen Anteil des Bereich (2; 3) zu dem Anteil des Be­ reichs (2; 3) am Rand dieses Kontaktes (5; 6) hin abnimmt.