DE2340107A1

DE2340107A1 - Leistungshalbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2340107A1
Application number: DE19732340107
Authority: DE
Inventors: Jozef Dr Cornu; Erich Dr Weisshaar
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1973-08-08
Publication date: 1975-01-23
Also published as: JPS5039883A; SE419916B; SE7408779L; CA1016269A; GB1477179A; JPS5842626B2; DE7328984U; DE2340107C2; FR2236273A1; US3987479A; FR2236273B1

Description

LfJ/de 76/73

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Leistungshalbleiterbauelement

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit zwei aufeinanderfolgenden, entgegengesetzt gepolten, ebenen pn-Uebergängen, welches an seiner Mantelfläche im Bereich der beiden pn-Uebergänge jeweils positiv angeschrägt ist.

Leistungshalbleiterbauelemente mit zwei aufeinanderfolgenden, entgegengesetzt gepolten pn-UebergMngen können z.B. als Thyristoren Verwendung finden (vgl. z.B. Kohl, ETZ-A 8£ (1968) S. 131 - 135: Ref. 1), wobei ausser den genannten mindestens noch ein weiterer pn-Uebergang vorgesehen ist, oder auch als Spannungsbegrenzer (vgl. z.B. Lawatsch und Weisshaar, Brown

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Boveri Review September 1972, VoI-. 59, S. 476 - 482: Ref.2). Die pn-Uebergänge bilden in der Praxis fast immer ebene Flächen, da nicht ebene pn-Uebergangsfla'chen technologische und auch elektrische Schwierigkeiten ergeben.

Unter "positiver Anschrägung" wird eine derartige Neigung der Mantelfläche des Leistungshalbleiterbauelementes bzgl. der Ebene des pn-Ueberganges verstanden, dass sich der Querschnitt des Elementes beim Portschreiten über den metallurgischen pn-Uebergang in die schwächer dotierte der beiden angrenzenden Zonen hinein verjüngt, oder anders: dass der Querschnitt des Elementes in der höher dotierten Zone grosser, und/oder in der niedriger dotierten Zone kleiner ist als in der Fläche des metallurgischen pn-Ueberganges (vgl. z.B. Davies und Gentry, IEEE Trans on El. Dev. Vol. ED-Il, July 1964, S. 313 - 323: Ref. 3j oder Cornu, IEEE Trans on El. Dev. Vol. ED-20, April 1973,'S. 3^7 - 352: Ref. 4). Im umgekehrten Fall spricht man von "negativer Anschrägung".

Die Bezeichnungen "positive" und "negative" Anschrägung implizieren unsymmetrisch dotierte pn-Uebergange, d.h. solche, bei welchen eine höher dotierte Zone an eine niedriger dotierte Zone angrenzt.

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Die Anschrägung des Leistungshalbleiterbauelementes an der Mantelfläche hat den Zweck, die elektrische Feldstärke auf der Mantelfläche herabzusetzen, so dass ein allfälliger Durchbruch im Innern des Halbleiterelementes einsetzt, und nicht etwa von der Oberfläche aus eingeleitet wird. Oberflächendurchbrüche sind sehr viel schwerer zu beherrschen und führen leicht zur Zerstörung des Elementes. Bei positiven Anschrägungen genügen Winkel von etwa 30 (Ref. 1, S. 132, linke Spalte, 2. Absatz von unten), um einen Lawinendurchbruch mit Sicherheit im Volumen erfolgen zu lassen. Bei negativen Anschrägungen sind jedoch Winkel kleiner als 1 notwendig, um Spannungen von der Grössenordnung 3,5 kV sperren zu können. Das hat einen ganz beachtlichen Verlust an ausnutzbarer Elementfläche zur Folge und bringt unter anderem auch Kühlungsprobleme, da die Anschr&'gung praktisch nicht mit einem Kühlkörper in Kontakt gebracht werden kann.

Es wurden deshalb schon diverse Lösungen bekannt, die die vorerwähnten Nachteile vermeiden sollen.

So schlug z.B. Kohl (Solid-State Electronics 1968, Vol. 11, S. 501 - 502: Ref. 5) eine mesaförmige Randkontur mit Doppelphase vor.

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Otsuka (IEE Conf. Publ. No. 53, Part. 1 (I969) S. 32 - 38: Ref. 6) schlug vor, in der Silizium-Tablette des Leistungshalbleiterbauelementes einen ringförmigen Graben vorzusehen, welcher den vorwärtssperrenden pn-Uebergang so schneidet, dass die Querschnittfläche beim Portschreiten vom pn-Uebergang in die niedriger dotierte Zone hinein abnimmt.

Gerecke endlich (z.B. DT-OS 1 439 215: Ref. 7) schlug schon Anfang 1962 eine schwalbenschwanzförmige Kontur des Halbleiterbauelementes vor.

Weitere Lösungsversuche in diesem Sinne sind bekannt z.B. aus der US-PS 3,575,644 (Ref. 8), und der DT-AS 1 251 440 (Ref. 9).

Keine der bekannten Lösungsmöglichkeiten konnte sich jedoch bis heute in der Praxis wirklich durchsetzen. Das hat seinen Grund wohl darin, dass alle bekannten Strukturen bei der Herstellung grosse technologische Probleme bereiten, und man ganz offensichtlich nicht übersah, in welchem Umfang durch die Strukturen Vorteile zu erzielen wären. Eine solche Kenntnis lag deshalb nicht vor, weil die für ein Leistungshalbleiterbauelement wichtigen Eigenschaften der bekannten Strukturen bisher theoretisch nicht erfassbar waren, da die

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Verhältnisse an solchen Strukturen nur durch Systeme komplexer und geschlossen nicht lösbarer Differentialgleichungen beschrieben werden können (vgl. z.B. Ref. 3 und H).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus der Vielzahl der bekannten Strukturen diejenige auszuwählen, und deren spezielle Merkmale anzugeben, welche die Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen ermöglicht, die auch Spannungen von mehr als 3500 Volt sperren, für die also ein Lawinendruchbruch erst für Sperrspannungen oberhalb 3500 V auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei einem Leistungshalbleiterbauelement der eingangs genannten Art der mittlere Winkel der beiden Anschrägungen jeweils zwischen 30 und 60 liegt.

Diese Lösung wurde aufgrund einer theoretischen Analyse der elektrischen Feldstärke an der Mantelfläche eines doppelt positiv angeschrägten Elementes der eingangs genannten Art mittels elektronischer Rechenanlagen gefunden und experimentell verifiziert.

Sie bringt völlig überraschende und nicht voraussehbare Vor-

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teile, die weiter unten im Anschluss an die Beschreibung von erläuternden Ausführungsbeispielen aufgeführt werden.

Die Ausführungsbeispiele, anhand derer auch weitere Einzelheiten der Erfindung dargestellt werden, werden anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch den Querschnitt eines doppeltpositiv angeschrägten Leistungshalbleiterbauelementes mit Merkmalen nach der Erfindung, wobei insbesondere die pn-Uebergänge ausserhalb der Anschrägung münden,

Fig. 2 den Querschnitt durch die Randkontur eines Leistungshalbleiterbauelementes, das experimentell bei Sperrspannungen von 6000 Volt untersucht wurde,

Fig. 3 die Ausbildung der Sperrschicht bei 4000 Volt in einem doppeltpositiv angeschrägten Element mit einem Winkel der beiden Anschrägungen von 30 ,

Fig. ¹I die Verteilung der elektrischen Feldstärke in der Mantelfläche des in Fig. 3 dargestellten Elementes,

Fig. 5 die Ausbildung der Sperrschicht bei *»000 Volt in einem doppeltpositiv angeschrägten Element mit Win-

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kein von jeweils H5 >

Fig. 6 die sich für ein solches Element ergebenden Feldverteilungen,

Fig. 7 die Ausbildung der Sperrschichten bei *1ΟΟΟ Volt bei Anschrägungen von 1*1 , 45 und

Fig. 8 die sich für die Konturen nach Fig. 7 ergebenden
Feldverteilungen an der Mantelfläche,

Fig. 9 die Ausbildung der Sperrschichten bei 4000 Volt bei Anschrägungen von 30 und Ί5 , wobei jedoch die pn-Uebergänge ausserhalb der Anschrägungen auf der Mantelfläche münden,

Fig. 10 die sich für die Konturen nach Fig. 9 ergebenden
Feldverteilungen an der Mantelfläche,

Fig. 11 die Ausbildung der Sperrschicht bei 10Ό00 Volt und einem mittleren Winkeln der Anschrägungen von 30 ,

Fig. 12 die sich für die Kontur nach Fig. 11 ergebende
Feldverteilung an der Mantelfläche,

Fig. 13 eine Strom-Spannungs-Kennlinie bei 25°C des Elementes nach Fig. 2, und

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Fig. lH eine Strom-Spannungs-Kennlinie bei 125 C des Elementes nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Thyristor mit Emitterkurzschlüssen (vgl. z.B. A. Herlet in Sei. El. Vol. XIl Fase. 4 (1966) S. 105 122, 120: Ref. 10) dargestellt, der einen Kathodenanschluss K, einen Anodenanschluss A und einen Steueranschluss G aufweist. Ferner besitzt er eine von Nebenschlüssen durchbrochene η-dotierte Emitterzone E , eine p-dotierte Steuerzone P-, eine η-dotierte Basis N, und eine p-dotierte anodenseitige Basiszone P_p. Die Zonen P und P_ sind höher dotiert als die Zone N, die Zone E ist höher dotiert als die

' η

Zone P . Die pn-Uebergänge J und J_? münden in den Kreisen B₁ und B auf der Mantelfläche M des Elementes. Das Element ist bzgl. der Mittelachse Z rotationssymmetrisch.

Das dargestellte Element weist auf der Mantelfläche M im
Bereich des pn-Ueberganges J eine positive Anschrägung A , und im Bereich des pn-Ueberganges J_? eine positive Anschrägung Ap auf. Der mittlere WinkeloC der Anschrägungen A₁ und Ap beträgt ¹15 . Die durch die beiden Anschrägunpen
A und Ap entstehende umlaufende Kerbe liegt symmetrisch bezüglich der beiden pn-Uebergänge J₁ und J„. Aus noch zu erläuternden Gründen ist die Kerbe am Kerbengrund abgeflacht,

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so dass sie eine trapezförmige Gestalt aufweist mit einer kleineren Grundlinie der Höhe m.

Besonders bemerkenswert bei der dargestellten Struktur ist, dass die pn-Uebergänge J₁ und J_ ausserhalb der Anschrägungen A und A_p auf der Mantelfläche M münden.

Die in Pig. 2 dargestellte Randkontur ist die eines in dieser Form hergestellten und bei 6000 Volt untersuchten Silizium-Elementes. Da sie durch Sandstrahlen erzeugt wurde, sind die Anschrägungen A und A nicht eben. Der mittlere Winkel et dieser Kontur ergibt sich dann z.B. dadurch, dass man, in gleichen Schritten vom Kerbengrund bis zur Stirnfläche des Elementes in X-Richtung fortschreitend, jeweils· den Winkel^ misst, und durch Summenbildung und Division durch die Anzahl der Schritte den mittleren Winkel oC/ er-

mittelt.

Zu im wesentlichen demselben Ergebnis kommt man, wenn man durch die von der Kontur gebildeten beiden Kurven nach der Methode der kleinsten Quadrate Gerade g₁ und g„ legt und deren Winkel gegenüber den pn-Uebergängen J und J bestimmt.

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Bemerkenswert ist, dass die Geraden g und g eine zur Mittelachse Z parallele, tangential an den Kerbengrund gelegte Gerade g in zwei Punkten S und S schneiden, welche voneinander einen Abstand von mehr als 40/\>m haben. Auch diese Tatsache wird weiter unten noch begründet werden.

Die Dicke w der Zone N ist 87OyUm, die Dicke d der Zonen P₁ und P ist jeweils etwa 90 AA/ m, so dass sich für die gesamte Dicke h etwa 105OyU-Hi ergeben. Der Radius R des Elementes beträgt 19 mm, sein Durchmesser also 38 mm.

Der spezifische Widerstand der Silizium-Tablette in der Zone N beträgt 22Ο-26Ο-Ω- cm. Die Tablette ist parallel zur (Hl)-Ebene geschnitten und mit Karborundum geläppt.

Zur Herstellung der Zonen P und P wurde die Silizium-Tablette gleichzeitig mit Bor und Aluminium diffundiert. Damit ergab sich an den Stirnflächen eine Konzentration des Bor von 5.10 cm , und des Aluminium von 5.10 cm . Die Diffusionstiefen betrugen 38/U>m bzw. 90jum. Die nach der Zimmermann-Methode (Phys. stat. sol. (a) 12, 671 (1972): Ref. 11) gemessene Lebensdauer der Träger in der Zone N betrug 30 bis 60 AA/ see.

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Warum die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Strukturen ein optimales Sperrverhalten aufweisen, und insbesondere für Sperrspannungen eingesetzt werden können, die bisher noch nie erreicht wurden, und auch unter vertretbarem Aufwand als nicht erreichbar galten, wird nachfolgend anhand der Figuren 3-12 erläutert:

Bekanntlich ergibt sich bei einfach positiven Anschrägungen (gestrichelte Linien in Fig. 3 und k) auf der Mantelfläche eine Feldstärkeverteilung, deren Maximum tief in der niedriger dotierten Zone N liegt. Das Maximum wird umso kleiner, und läuft umso weiter vom pn-Uebergang J, weg, je kleiner der Winkel oc- gemacht wird. Bei Winkeln oberhalb etwa 60 liegt das Maximum am pn-Uebergang J₁. Dies alles ist bekannt z.B. aus Ref. 3 und k.

Wenn nun aber die Mantelfläche M des Elementes doppeltpositiv gemäss der Geometrie G, angeschrägt ist, so werden die Verhältnisse sehr viel komplexer, weil nämlich die Sperrschicht, d.h. der Bereich zwischen den beiden schraffierten Bereichen, sich über den Kerbengrund hinaus ausdehnen muss.

Wie aufgrund von numerischen Rechnungen an einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage ermittelt"wurde, deren Prin-

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zipien in Ref. Ί dargestellt sind, entsteht dann neben dem durch die einfache Anschrägung beeinflussten Feldstärkemaximum ein zweites Maximum im Bereich des Kerbengrundes, genauer gesagt etwa dort, wo die Kontur ihren kleinsten Krümmungsradius hat.

Wie aus Fig. ¹J ersichtlich ist, fallen bei einer Anschrägung von 30 die beiden genannten Maxima fast zusammen und es ergibt sich ein ziemlich breites Maximum gemäss Kurve E,.

Nach dieser Erkenntnis wird es klar, dass man den Feldstärkeverlauf verbessern kann, wenn man die beiden Maxima voneinander trennt, was dadurch möglich ist, dass man den Winkel oC· grosser wählt (das 1. Maximum läuft dann zum pn-Uebergang J hin), und den Ort grösster Krümmung möglichst weit weg vom pn-Uebergang J,, J_ vorsieht.

Das wird anhand der Fig. 5 und 6 demonstriert:

In Fig. 5 sind eine tiefe Kerbe G₂ und eine flache Kerbe G, dargestellt, zu denen die Feldverläufe E„ und E, in Fig. 6 gehören. Beide Kerben haben Anschrägungen von 45 .

Für die Geometrie G- ergibt sich, dass in der Tat die zwei

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Feldstärkemaxima auseinandergezogen werden und damit, vgl.. E_ in Fig. 6, eine flachere Feldstärkeverteilung resultiert. Jedoch ist die maximale Feldstärke zwar kleiner als in Fig. 4, aber doch nicht wesentlich, da nämlich das Maximum der einfach positiven Anschrägung bei 45 grosser ist als bei 30°.

Bei der Geometrie G ist nun der Ort maximaler Krümmung näher zum pn-Uebergang J. verschoben. Dadurch fallen jetzt das durch den grösseren Winkel t<j an sich grössere Maximum am pn-Uebergang. und das Maximum des Ortes maximaler Krümmung zusammen, was in diesem Falle zu einem sehr hohen Feldstärkemaximum führt (E in Fig. 6).

Die Einflüsse des Anschrägungswinkels oC und des Ortes maximaler Krümmung sind übersichtlich in den Figuren 7 und 8 demonstriert, wo Geometrien Gj., G₁. und G^ mit Winkeln von 14 , 45 und 64 bei verschiedenen Kerbtiefen untersucht werden. Aus den zugehörigen FeÄtärkekurven Εκ, Ε und E^ der Fig. 8 ist ersichtlich, dass Winkel bei 45° für realis tische Konturen am günstigsten sind.

Bei der Geometrie G^ hat man zwar einen steilen Anschrägungswinkel (14 ) und entsprechend bei einfach positiver Anschrä-

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gung eine starke Herabsetzung des FeIdStärkemaximums an der Oberfläche. Da man aber aus Gründen der mechanischen Stabilität das Einschneiden der Silizium-Tablette irgendwo begrenzen muss, und da bei kleinen Anschrägungswinkeln das erste Feldstärkemaximum bei einfachpositiver Anschrägung weit weg vom pn-Uebergang liegt, gelingt es nicht, den Krümmungspunkt der Geometrie genügend weit weg vom pn-Uebergang zu legen.

Bei der Geometrie E^ liegt die maximale Krümmung im Zentrum der Tablette. Der Punkt der maximalen Feldstärke ist durch die einfachpositive Anschrägung bestimmt und liegt relativ nahe am pn-Uebergang. Der Anschrägungswinkel ist aber sehr flach ( 64 ) und die maximale Feldstärke bei einfach positiver Anschrägung ist nicht sehr stark reduziert.

Die Geometrie E (Anschrägungswinkel 45 ) liegt' zwischen diesen beiden Extremen. Sie stellt nicht gerade das Optimum dar, zeigt aber, dass eine Optimierung möglich ist.

Die bis jetzt besprochenen Geometrien haben alle eine Anschrägung, die den pn-Uebergang schneidet. Daraus ergibt sich, dass die Dicke der Ränder der Tablette durch die p-Eindringtiefe begrenzt ist. Aus Gründen der mechanischen

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Stabilität wäre eine Geometrie ohne diese Begrenzung vorzuziehen. Eine solche Geometrie ist in Fig. 9 gezeigt. Die Kerbe befindet sich dabei nur in der Zone N. Auch in diesem Fall hat man zwei Feldstärkemaxima (Fig. 10). Das erste in der Nähe des pn-Ueberganges und das zweite am Punkt der stärksten konkaven Krümmung. Dazwischen gibt es noch eine konvexe Krümmung, die zu einer Herabsetzung der Feldstärke zwischen den beiden Maxima führt.

Bei der Geometrie G ist die Feldstärke maximal am Punkt der stärksten Krümmung. Um diese Krümmung herabzusetzen, wurde in Gp der Anschrägungswinkel von 30 auf 45 erhöht. Die maximale Feldstärke liegt jetzt in der Nähe des pn-Ueberganges. Es ist klar, dass man bei dieser Geometrie zwei Parameter zur Verfügung hat, um eine Optimierung zu machen: Den Anschrägungswinkel und die Distanz des Ortes, an dem die Anschrägung beginnt, bis zum pn-Uebergang. Dadurch kann man ungefähr die selbe Feldstärke erreichen, wie bei den vorher besprochenen Geometrien.

In den Fig. 11 undT12 ist noch eine Struktur mit Randgeometrie G für eine Sperrspannung von 10'0OO Volt dargestellt,

12 d.h. die Zone N weist nur eine Dotierung von N = 8.35 cm auf, und die Dicke w der Zone N ist gleich der Dicke

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des in ihr befindlichen Teiles der Raumladungszone der Sperrschicht plus mindestens zwei Minoritätsträger-Diffusdonslängen L . Die Einhaltung eines Sicherheitsabstandes von mindestens zwei L ist bekanntlich nötig, um den Sperrstrom so klein wie möglich zu halten, ehe ein Lawinendurchbruch stattfindet (vgl. z.B. Ref. 2, S. ^78). Die resultierende Feldstärkeverteilung E ist in Fig. 12 dargestellt. Es wurde eine etwas kompliziertere Geometrie als in den Fig. 3, 5, 7 und 9 gewählt. Solche Geometrien wurden auch für 4 kV-Strukturen untersucht, ohne dass sich die Ergebnisse jedoch wesentlich geändert hätten.

Aus dem Vorstehenden ergeben sich die folgenden Resultate: ·

Die optimale Struktur eines hochsperrenden Leistungshalbleiterbauelementes der am Eingang beschriebenen Art zeichnet sich dadurch aus, dass das Leistungshalbleiterbauelement auf der Mantelfläche doppeltpositiv angeschrägt ist mit Winkeln zwischen 30 und 60 .

Vorzugsweise liegt der Anschrägungswinkel ^ zwischen ¹IO⁰

und ^5 . Die Struktur reagiert weniger empfindlich auf grössere Winkel als auf kleine, bei denen die Feldstärkemaxima leicht zusammenfallen.

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Im Gegensatz zu den negativpositiv angeschrägten Elementen ist die durch die beiden Anschrägungen A , A entstehende umlaufende Kerbe symmetrisch, da sich die Sperrschichten für beide pn-Uebergänge J und J gleichartig ausbilden.

Von ganz besonderer Bedeutung ist, dass man das Leistunpshalbleiterbauelement so ausbilden kann, dass die pn-Uebergänge J. und J ausserhalb der Anschrägungen A , Ap auf der Mantelfläche M münden. Dabei muss man jedoch dafür sorgen, dass die Orte Κ_χ, K₂ (Fig. 1), wo die Mantelfläche M in die Anschrägungen A und A_? übergeht, von den jeweils nächstgelegenen Mündungsorten B, und B_p der pn-Uebergänge J₁, J₀ um höchstens 30 % der Dicke w der Zone N entfernt sind. Würde man den Abstand K₁-B bzw, K-B grosser wählen, so würde sich eine unerwünscht grosse Erhöhung des linken Maximums der Kurven E und E„ in Fig. 10 ergeben.

Aufgrund dieser Kenntnisse kann man also ein Leistungshalbleiterbauelement herstellen, dessen Dicke von den Orten K, und Κ« bis zu den zugehörigen Stirnflächen z.B. Ο,3·87θΛλ

+ 90μ, m = 350/^m beträgt, wobei die Dicke der Kerbe dann nur etwa 260 yu, m betrüge. Ein solches Element ist technologisch sehr viel unproblematischer als die bekannten Elemente, bei welchen man die Anschrägung bereits in den Zonen P , P_?

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also in weniger als 90ujn Tiefe von den Stirnflächen, beginnen liess. Bei diesen bekannten Elementen bestand natürlich eine erhöhte Gefahr, dass der obere Randteil der Kerbe abbröckelte.

Es ist jetzt auch klar, warum in den Fig. 1 und 2 der Kerbengrund die Breite m> ¹IOp aufweisen soll. Damit wird vermieden, dass der Krümmungsradius so klein wird, dass das am Ort der maximalen Krümmung entstehende Feldstärkemaximum die für einen Lawinendurchbruch im Silizium-Element kritische Feldstärke übersteigt.

Andererseits darf m natürlich auch nicht zu gross werden, weil ja sonst das Feldstärkemaximum am Ort maximaler Krümmung zu nahe an das Maximum am pn-Uebergang kommt. Man wird deshalb m zweckmässigervreise auch kleiner als 0.2 w wählen, so dass die sich nach der Erfindung ergebenden Kerbtiefen für ein 6 kV Element zwischen 150 und 850 /ιλ liegen.

Wie die Untersuchungen gezeigt haben, hat das Dotierungsprofil in den Zonen P , P praktisch keinen Einfluss auf das Sperrverhalten des Elementes. Das leuchtet auch ein, da ja das Feldstärkemaximum immer in der Zone N liegt. Das hat einen wichtigen technologischen Vorteil gegenüber negativ an-

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geschrägten Elementen, da man dort für hohe Sperrspannungen nicht nur unerträglich kleine Winkel verwenden muss, sondern auch ein flacheres Diffusionsprofil verwenden sollte, was aber wegen der damit verbundenen grösseren Diffusionszeiten nur bis zu einer gewissen Grenze tragbar ist.

Aus Vorstehendem ergibt sich, dass man mit gleichen Diffusionsprofilen und gleichen geometrischen Konturen praktisch den ganzen Bereich oberhalb 3500 Volt Sperrspannung beherrscht, bis hin zu 10Ό00 Volt oder mehr. Dabei muss lediglich die Dotierung der Zone N und die Dicke w derselben der beabsichtigten Spannung angepasst werden.

Insgesamt ergibt sich eine Universalstruktur für Sperrspannungen von über 3,5 kV, wenn die Dotierung der Zone N zwischen den beiden pn-Uebergängen J-, J kleiner als 3,5.10 cm ist und ihre Dicke w etwa gleich der Dicke des in ihr befindlichen Teils der Raumladungszone bei maximaler Sperrspannung plus mindestens zwei Minoritätsträger-Diffusionslängen ist, und wenn die durch die beiden Anschrägungen A , Ap entstehende umlaufende Kerbe einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Neigungswinkel

der Trapezschenkel zu den pn-Uebergängen J , J₂ zwischen M0° und 45° liegen, und die Grundlinie am Kerbengrund

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mehr als ¹JO u,m breit ist. Die Dicke w liegt in der Praxis zwischen etwa bOOkJ-m für 3f5 kV und bis zu 1500 Um für 10 kV, wobei diese Werte natürlich stark von dem jeweiligen Material abhängen, welches unterschiedliche Rekombinations-Zentren und damit unterschiedliche Diffusionslängen aufweisen kann. Als Faustformel kann man annehmen: w = höchste Sperrspannung (kV) χ lOO/ULm/kV + 2 χ Diffusionslänge.

Ein besonders stabiles und leicht herstellbares Element ergibt sich, wie schon weiter oben gesagt, wenn die Mündungsorte B₁ und B₂ der pn-Uebergänge J und J_? ausserhalb der Anschrägungen A₁ und A münden, und zwar derart, dass die Distanz K.-B- bzw. K_?-B etwa 15 - 25 55 der Dicke w der Zone N betragen.

Die in Fig. 13 und 14 dargestellten Strom-Spannungs-Kennlinien des Elementes nach Fig. 2 zeigen deutlich, dass das Element bis zu seiner Volumendurchbruchspannung von 6 kV belastet werden kann, ohne dass ein Oberflächendurchbruch erfolgt. Bemerkenswert ist der sehr kleine Ördinatenmassstab, der die Feinheiten des Verlaufs des Sperrstromes zeigt. Eine Analyse der Kurven ergab, dass der gemessene Sperrstrom ausschliesslich durch thermische Paarbildung entsteht, und ein Beitrag von der Oberfläche nicht vorhan-

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den ist.

Es ist noch zu bemerken, dass mit den Strukturen nach der Erfindung die elektrische Feldstärke auf der Mantelfläche M des Elementes nicht wesentlich unter 1,2.10 V/cm herabgesetzt werden kann, während bei negativen Anschrägungen Oberflächenfeldstärken von 0,7.10 V/cm erreicht werden. Es konnte jedoch gezeigt werden (Ref. ¹J, Fig. 12), dass bei positiver Anschrägung Oberflächenfeldstärken bis zu 1,5.10 V/cm noch keine Verschlechterung der Rückwärtscharakteristik erbringen. Der niedrige Wert von 0,7.10 V/cm bei negativer Anschrägung ist auch nur deshalb nötig, weil dort ja dicht unterhalb der Oberfläche ein absolutes Feldstärkemaximum auftritt (Ref. H, Fig. 4), dass bei Werten von mehr als 0,7.10^ V/cm auf der Oberfläche den Wert für den Durchbruch im Volumen von etwa 2.10 V/cm übersteigt.

Zusammengefasst ergeben die Strukturen nach der Erfindung folgende überraschende, wichtige und überwiegend nicht voraussehbare Vorteile:

- Es ergibt sich praktisch kein Verlust an aktiver Elementfläche, da es ausreicht, die Kerbe nur etwa 0,5 mm tief zu machen. Demgegenüber haben negativ angeschrägte EIe -

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mente Flächenverluste von rund 30$.

Die gleiche Geometrie der Randkontur kann praktisch für alle Sperrspannungen verwendet werden, während negativ angeschrägte Elemente für steigende Sperrspannung umso kleinere Winkel aufweisen müssen, wobei eine Sperrspannung von etwa 3500 V praktisch nicht zu überschreiten ist.

Das Diffusionsprofil der Zonen P , P ist unabhängig von der Sperrspannung, während man bei negativen Anschrägungen zunehmend flache Profile und damit zunehmende Diffusionszeiten für steigende Sperrspannungen hinnehmen muss.

Für die für hohe Sperrspannungen nötige verminderte Dotierung der Zone N sinkt bei Strukturen nach der Erfindung die Oberflächenfeldstärke. Demgegenüber steigt sie bei negativ angeschrägten Elementen.

Die Stirnflächen des Elementes können ohne überstehenden Rand mit den Kühlkörpern in Kontakt gebracht werden, wodurch die Kühlprobleme verringert werden.

Es existiert kein Feldstärkemaximum, dass das Maximum für den Durchbruch im Volumen übersteigt, wie bei den negativ angeschrägten Elementen. Dieses bei den negativ angeschrägten Elementen vorhandene Maximum bewirkt ja bekanntlich, dass die theoretische Durchbruchspannung bei negativ ange-

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schrägten Elementen nie erreicht v/erden kann. Bei den Strukturen nach der Erfindung ist aber die theoretische Durchbruchspannung erreichbar.

Abschliessend ist noch zu bemerken, dass die dem vorwärtsgepolten pn-Uebergang (in den Beispielen J_p) zugewandte Grenze der Sperrschicht die Tendenz haben kann, sich im Bereich der Kerbe zu diesem Uebergang hin aufzubäumen. Das könnte zu einem Punch-Through führen, was aber natürlich vermieden werden muss. Es muss daher beachtet werden, dass eine Schicht auf der Mantelfläche M keine hohe Dielektrizitätskonstante hat.

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Claims

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Patentansprüche

(l/ Leistungshalbleiterbauelement mit zwei aufeinanderfolgenden, entgegengesetzt gepolten, ebenen pn-Uebergängen, welches an seiner Mantelfläche im Bereich der beiden pn-Uebergänge jeweils positiv angeschrägt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Winkel tä ) der beiden Anschrägungen (A-, A₂) jeweils zwischen 30 und 60 liegt.

2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Winkel (<£ ) zwischen UO

und U5 liegt.

3. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die beiden Anschrägungen (A,, A₂) entstehende umlaufende Kerbe symmetrisch bezüglich der. beiden pn-Uebergänge (J., J_) liegt und ausgebildet ist.

U. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pn-Uebergänge (J , J„) ausserhalb der Anschrägungen (A, , A„) auf der Mantelfläche (M) des Halbleiterbauelementes münden.

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5. Leistungshalblexterbaueleraent nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Orte (K , K) wo die Mantelfläche (M) in eine Anschrägung (A_ , A-) übergeht, von den jeweils nächstgelegenen Mündungsorten (B,, B) eines pn-Ueberganges (J , J) auf der Mantelfläche (M) um höchstens 30 % der Dicke (w) der Zone (N) zwischen den beiden pn-Uebergängen (J,, J₂) entfernt sind.

6. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Anschrägungen (A , A) nach der Methode der kleinsten Quadrate gelegten, die Mittelachse (Z) des Leistungshalbleiterbauelementes schneidenden Geraden (g , g ) eine zur Mittelachse (Z) parallele, tangential an den Kerbengrund gelegte Gerade (g₃) in zwei Punkten (S-., S„) schneiden, welche voneinander einen Abstand Cm.) von mindestens M-O jam aufweisen.

7. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Abstand Cm) nicht grosser ist als 20 % der Dicke Cw) der Zone (N) zwischen den beiden pn-Uebergängen (J,, J„).

8. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der

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Zone (N) zwischen den beiden pn-Uebergangen (J , J_ )

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kleiner ist als 3,5.10 cm und deren Dicke (w) etwa gleich der Dicke des in ihr befindlichen Teils der Raumladungszone bei maximaler Sperrspannung plus mindestens zwei Minoritätsträger-Diffusionslängen ist, d.h. zwischen 400 und 1500 ^m liegt, und dass die durch die beiden Anschrägungen (A₁, A_) entstehende umlaufende Kerbe einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Neigungswinkel (<Ä m) der Trapezschenkel zu den pn-Uebergängen(J , J₂) zwischen 40 und 45° liegen, und die Grundlinie am Kerbengrund mehr als 40 yum breit ist.

9. Leistungshalbleiterbauelement nach den Ansprüchen 4,5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Orte (K , K), wo die Mantelfläche (M) in eine Anschrägung (A , A„) übergeht, von dem jeweils nächstgelegenen Mündungsort (B , B₂) eines pn-Ueberganges (J₁, J~) auf der Mantelfläche (M) um 15 - 25 % der Dicke (w) der Zone (N) zwischen den beiden pn-Uebergängen (J_, J„) entfernt sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshableiterbauelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die beiden Anschrägungen (A,, A„) entstehende umlaufende Kerbe

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mittels Sandstrahlen hergestellt wird.

11. Verwendung eines Leistungshalbleiterbauelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach den Ansprüchen 8 oder 9, für Sperrspannungen von über 3,5 kV.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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