DE2340128A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE2340128A1 DE19732340128 DE2340128A DE2340128A1 DE 2340128 A1 DE2340128 A1 DE 2340128A1 DE 19732340128 DE19732340128 DE 19732340128 DE 2340128 A DE2340128 A DE 2340128A DE 2340128 A1 DE2340128 A1 DE 2340128A1
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Description

SEMIKRON Ges. für GleicnrichterboM u. Elektronik m.b.H. 8500 Nürnberg, Wiesentalstraße 40 /
7. August 1973 PA - Bu/wl I 127303
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement hoher Sperrfähigkeit mit einem Halbleiterkörper, der wenigstens zwei unterschiedlich dotierte, schichtförmige Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit jeweils zwischenliegendem pn-Übergang aufweist, und dessen Mantelfläche jeweils im Bereich des Austritts des pn-Übergangs in ihrem Verlauf von der höher dotierten zur niedriger dotierten Zone mit der pn-Übergangsflache einen Winkel kleiner 90 einschließt.
Beim Einsatz von Halbleitergleichrichtern kann durch unzulässige Überspannungen am pn-Ubergang auf der Oberfläche des vorzugsweise scheibenförmigen Halbleiterkörpers ein sogenannter Feldstärkedurchbruch an der Oberfläche entstehen, der zur Zerstörung des Halbleiterbauelements führt. Um diesen Effekt zu verhindern und die unzulässigen Überspannungen durch einen reversiblen, sogenannten Feldstärkedurchbruch in Volumen zu begrenzen, wird bekanntlich der Halbleiterkörper durch Abschrägen der Randzone in der Umgebung des pn-Übergangs kegelstumpf fömig ausgebildet. Dabei schließt in Bereich des Austritts des pn-Übergangs an die Mantelfläche die in Richtung der zwischen höher dotierten Zonen liegenden niedriger dotierten Zone weisende Normale der pn-Übergangsfläche mit der nach außen gerichteten Normalen der Mantelfläche des Halbleiterkörpers mindestens in den Bereichen der Sperrschichtausdehnungen einen Winkel kleiner 90 ein.
Auf Grund einer solchen Ausbildung weisen die in der niedriger dotierten Zone parallel zur pn-Übergangsfläche verlaufenden Flächen konstanter Spannung in der Nähe der Mantelfläche einen größeren gegenseitigen Abstand
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auf als im Innern des Halbleiterkörpers. Eine derartige Formgebung ist als sogenannte positive Abschrägung bekannt. Eine negative Abschrägung ist gegeben, wenn im entsprechenden Bereich die Normale der pn-Übergangsfläche mit der Normalen der Mantelfläche einen Winkel größer 90 bildet.
Bei entsprechend gepolter Spannung am Halbleiterkörper ergibt sich bei positiver Abschrägung eine Ausweitung der Raumladungszone an der Mantelfläche, während eine negative Abschrägung derselben zu einer Einengung der Raumladungszone und damit zu einer Verringerung der kritischen Oberflächenfeldstärke führt.
Es sind Halbleiteranordnungen bekannt geworden, deren Halbleiterkörper zur Erzielung höherer Sperrfähigkeit eine negative Abschrägung der Mantelfläche aufweist.
Weiterhin ist es bekannt, bei einem Halbleiterkörper mit wenigstens drei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, wie er bei thyristoren vorgesehen ist, im Bereich des einen pn-Ubergangs eine bis in die niedriger dotierte mittlere Zone sich erstreckende positive Abschrägung und , daran anschließend und in der mittleren Zone beginnend, im Bereich des anderen pn-Übergangs eine gleichsinnig,aber wesentlich flacher verlaufende, weitere Abschrägung anzubringen. Die zweite Abschrägung ist zwar negativ, ergibt aber infolge des sehr kleinen Winkels von vorzugs-
,o ,
weise 6 b.
telfläche.
weise 6 bis 8 ebenfalls eine Ausweitung der Raumladungszone an der Man-
Außerordentlich nachteilig bei solchen bekannten Anordnungen ist der beträchtliche Verlust an aktiver, d.h. zur Stromleitung durch den Halbleiterkörper dienender Fläche. Außerdem ist mit der Herstellung der sogenannten Doppelfacette bei Halbleiterkörpern für Thyristoren ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Halbleiterkörper für Halbleiterbauelemente hoher Sperrfähigkeit zu erzielen,, bei denen der gegenseitige Abstand der Flächen konstanter Spannung beiderseits des oder der pn-Übergänge im Bereich des Austritts an die Oberfläche ein Maximum ist und der Verlust an wirksamer Fläche durch besondere Formgebung des Halbleiterkörpers vor Ausbildung der pn-Übergangsflächen weitestgehend vermieden wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mantelfläche des Halbleiterkörpers dessen zur Kontaktierung vorgesehenen Seiten im wesentlichen senkrecht zugeordnet ist, und daß jeweils diejenige zur Kontaktierung vorgesehene Seite des Halbleiterkörpers, an welcher die an den pn-Übergang angrenzende, höher dotierte Zone die Außenzone des Halbleiterkörpers bildet, eine Vertiefung aufweist, deren Randzone in vorbestimmtem Abstand zur Mantelfläche mit der zwischen Mantelfläche und Vertiefung liegenden Oberfläche einen Winkel gleich oder größer 90° einschließt.
Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils im Schnitt bekannte Schichtenfolgen mit einem pn-Ubergang für Gleichrichterdioden bzw. mit zwei pn-Ubergängen für Thyristoren. Der Aufbau gemäß Figur 1 besteht aus einer schwach dotierten mittleren Zone 1 mit n-Leitftihigkeit, einer mit dieser den pn-Ubergang S bildenden, höher dotierten, p-leitenden Außenzone 2 und einer der p-Zone 2 gegenüberliegenden η-leitenden Außenzone 3. Dieser eine sogenannte psn-Schichtenfolge bildende Aufbau ist noch mit Elektroden und 13 versehen und an seiner Mantelfläche genäß der Linie 11 in bekannter Form abgeschrägt. Bei entsprechender Polarität der angelegten Spannung ergibt sich der dargestellte Verlauf der Flächen konstanter Spannung insbesondere in der mittleren Zone.
Die in Figur 2 gezeigte Schichtenfolge mit drei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps weist jeweils zwischen der hochohnigen, η-leitenden mittleren Zone 1 und der an jeder Seite dieser Zone angrenzen-
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den p-leitenden Zone 2 bzw. 4 einen pn-übergang S1 bzw. S« auf. Der erstere mUndet in den positiv abgeschrägten Bereich 11, der pn-Übergang S7 in den in der mittleren Zone 1 beginnenden negativ abgeschrägten Bereich 21. Aus dieser Darstellung ist zu erkennen, daß mit einer derartigen doppelten Abschrägung,einer sogenannten Doppelfacettierung,ein erheblicher Flächenverlust verbunden ist.
Anhand der in den Figuren 3 bis 6 im Schnitt dargestellten AusfUhrungsbeispiele von Halbleiterkörpern fUr Gleichrichterelemente wird die Erfindung näher erläutert. FUr gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
Figur 3 zeigt einen hinsichtlich der Schichtenfolge demjenigen gemäß Figur 1 entsprechenden Aufbau. Erfindungsgemäß weist dieser an der zur Kontaktierung vorgesehenen Fläche der an den pn-Ubergang angrenzenden äußeren Zone, der ρ -leitenden Zone 2, eine flache, ebene Vertiefung 8 als zentrale Aussparung auf, die von dem an die Oberfläche tretenden Randbereich 2a der Zone 2 ringförmig umschlossen ist. Auf der Bodenfläche der Vertiefung 8 ist die zur Kontaktierung der Schichtenfolge mit Stromleiterteilen dienende Kontaktelektrode 12 aufgebracht. Die Breite des Randbereichs 2a ist bei vorgegebener Eindringtiefe der Zone 2 in den η-leitenden Halbleiterausgangskörper gleich der oder kleiner als die Eindringtiefe, wodurch die lichte Weite der Vertiefung 8 bestimmbar ist. Deren Tiefe ist unkritisch und lediglich durch fertigungstechnische Gesichtspunkte festgelegt. Die Vertiefung kann durch bekannte Abtragungsverfahren, beispielsweise durch Ultraschallbohren oder Schleifen,erzielt werden.
Entsprechend dem Verlauf der Vertiefung, die vor Herstellung der Zone 2 in Halbleiterausgangskörper angebracht ist, bildet sich bei« Diffusionsprozess zur Erzielung der Zone 2 nach den Gesetzmäßigkeiten der Diffusion auch die pn-übergangsfläche S in angepaßter Weise aus, d.h. in einem im wesentlichen zu jeder Stelle der Vertiefung gleichen Abstand aufweisenden
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•erlauf. Im theoretisch günstigsten Fall, d.h. wenn die Zone 2 in ihrer durch die Diffusion bestimmten Breite an der Oberfläche der Kontaktseite austritt, schließt die Tangente an die pn-Übergangsfläche S an der Austrittsstelle mit der Mantelfläche den Winkel 0° ein.
Figur 4 zeigt eine Vierschichtenfolge für ein steuerbares Gleichrichterelement mit erfindungsgemäßer Ausbildung der an beiden Seiten der niedriger dotierten mittleren Zone 1 jeweils angeordneten, höher dotierten Zone 2 bzw. 4. Der HalbleiterausgangskSrper weist an seinen einander gegenüberliegenden, zur Kontaktierung vorgesehenen Flächen je eine Vertiefung 8 bzw. 9 auf. In die als Basiszone bezeichnete eine äußere, p-leitende Zone 4 ist die η -leitende Emitterzone 5 eingebracht, die mit der Kontaktelektrode 15 versehen ist. Die Basiszone 4 trägt weiterhin die Steuerelektrode 6. Die beiden p-Zonen 2 und 4 sind auch im Bereich der Mantelfläche spiegelbildlich zur Mittelebene des Halbleiterkörpers angeordnet. Für den Verlauf der pn-Übergangsflächen S. und S„ gelten die zum Aufbau gemäß Figur 3 gemachten Ausführungen.
Die Randzone der Vertiefungen 8 und 9 kann zylinderförmig ausgebildet sein oder, gemäß der Darstellung in Figur 4, nach außen gewölbt mit zunehmender lichter Weite a, bezogen auf die zylindrische Form. Wenn α gleich null, d.h. bei zylinderförwiger Randzone, bildet in der Schnittdarstellung jeweils die pn-Übergangslinie in Anschluß an ihren zur Mittelebene parallelen Abschnitt im wesentlichen einen Kreisbogen mit einem Radius gleich der Eindringtiefe der Zone 2 bzw. 4 und mit dem Mittelpunkt im Eckpunkt dar Vertiefung 8 bzw. 9. Im übrigen gelten fUr Anordnungen mit jeweils konvexer Randzone der Vertiefung bezüglich des Verlaufs der pn-Übergangsfläche die zum Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 gegebenen Erläuterungen. Weist eine Randzone einen kreisförmig gewölbten ersten und daran anschließend einen senkrecht zur Oberfläche der Kontaktseite verlaufenden zweiten Abschnitt auf, so verläuft auch die pn-Übergangsfläche im entsprechenden Abschnitt senkrecht zu dieser Oberfläche und mit der Mantelfläche des Halbleiterkörpers im wesentlichen übereinstimmend. Um zu gewährleisten,
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daß die pn-Übergangsfläche stets an der Mantelfläche austritt, muß, wie bereits zum Aufbau gemäß Figur 3 ausgeführt, die Breite b des Randbereichs 2a bzw. 4a der Zonen 2 und 4 gleich oder kleiner als die Eindringtiefe d der Zonen 2 und 4 gewählt werden.
Bei kreisbogenförmig gewölbter Randzone mit gewählter Breite b des Randbereichs der äußeren Zonen stellt der Radius des kreisbogenförmigen Abschnitts der pn-Übergangsfläche als Summe der Strecken α und d eine Seite und seine Projektion auf die Oberfläche als Summe der Strecken α und b eine weitere Seite in einem rechtwinkligen Dreieck dar.
Daraus ergibt sich der Winkel der Tangente an die pn-Übergangsfläche im Schnittpunkt B der letzteren mit der vorgesehenen Mantelfläche 20a.
Da die Eindringtiefe d der Zone 2 und damit die maximale Breite des Randbereichs 2a bzw. 4a durch die an das vorgesehene Bauelement gestellten Forderungen vorgegeben und auch genau bestimmbar ist, und da die Breite b in einem vorbestimmten Bereich gewählt werden kann, erlaubt die erfindungsgemäße Ausbildung des Halbleiterkörpers ohne Abschrägung der Mantelfläche einen beliebig wählbaren Verlauf der pn-Übergangsfläche in der Nähe der Mantelfläche des Halbleiterkörpers in einem spitzen Winkel zur Mantelfläche bis angenähert zum Winkel 0 und dadurch die Herstellung von Gleichrichterelementen in gewünschtem Sperrspannungsbereich.
Figur 5 zeigt eine Struktur zur Herstellung einer Vielzahl von erfindungsgemäß ausgebildeten Gleichrichterdioden aus einem großflächigen beispielsweise η-leitenden Halbleiterausgangskörper 1. Dieser ist an einer Seite nach einen gewünschten, beispielsweise rasterförmigen Muster mit Vertiefungen 8 versehen, die einen durch die fUr jedes Kleinelenent vorgegebene Randbreit· 2a bestimmten gegenseitigen Abstand aufweisen. Die übereinstimmend einen np -Schichtenaufbau mit jeweils wannenförmig verlaufender pn-Übergangs fläche S aufweisenden Kleinelemente werden längs der Linien 20
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ζ.6. durch Ritzen und Brechen oder mit Hilfe einer gatterförmigen Sägeeinrichtung getrennt. Mit den Linien 20a ist die Schnittkante bein Zerteilen z.B. durch Sägen angedeutet.
Bei dem in Figur 6a dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist die zum gewünschten Verlauf des pn-Übergangs und damit der Raumladungszone vorgesehene, erfindungsgemäße Vertiefung 18a nicht im zentralen Bereich,sondern in der Randzone der zur Kontaktierung vorgesehenen Fläche(n) des Halbleiterkörpers angebracht. Die lichte Weite der eine in sich geschlossene Aussparung darstellenden Vertiefung 18a kann je nach der Flächenausdehnung der vorgesehenen Schichtenfolge z.B. zwischen 50 und 500/um gewählt werden, Der zentrale, mit dem Randbereich 2a beispielsweise auf gleicher Ebene liegende Flächenabschnitt der p-leitenden Zone 2 dient zur Anbringung der Kontaktelektrode.
Die dargestellte Ausbildung kann in entsprechender Weise bei Halbleiterkörpern mit drei oder mehr schichtförmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen sein und ermöglicht bei Zweirichtungsthyristoren, sog. Triacs, insbesondere bei spiegelbildlicher Anordnung der Vertiefung 18a zur Mittelebene, ein günstigeres Einschaltverhalten.
In Figur 6b ist eine erfindungsgemäße Anordnung mit dreieckförmiger Vertiefung 18b dargestellt. Mit dieser vorzugsweise durch Ultraschallbohren herstellbaren Ausfuhrungsform kann der Verlust an aktiver Fläche noch weiter verringert werden. Die pn-Übergangsfltiche verläuft dabei im letzten Abschnitt vor dem Austritt an die Oberfläche gleichbleibend unter einem bestimmten Winkel zur annähernd mit der Mantelfläche der vorgesehen*η Kleinelemente Übereinstimmenden Linie 20, so daß der durch die Vertiefung vorgegebene Austrittswinkel auch unter Berücksichtigung einer Mindestschnittbreite beim Zerteilen oder einer etwa erforderlichen, zusätzlichen Abtragung der Mantelfläche erhalten bleibt.
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Zur Herstellung des Gegenstandes der Erfindung, beispielsweise eines Halbleiterkörpers gemäß Figur 3, wird der scheibenförmige, z.B. n-leitende Ausgangskörper an der zur Anbringung einer Vertiefung 8 vorgesehenen Seite mittels bekannter Maskentechnik zur Abdeckung des Randbereichs 2a vorbehandelt und dann einem Abtragungsprozess unterworfen, bei den die Vertiefung 8 durch ein in der Technik bekanntes Verfahren, beispielsweise durch Ultraschallbohren oder durch Schleifen, angebracht wird. In Anschluß daran wird der Halbleiterkörper in einen Diffusionsverfahren nit schichtförmigen Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps versehen und nach verschiedenen Verfahrensschritten der Reinigung und Trocknung nit den Elektroden 12 und 13 kontaktiert.
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Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    (j ^Halbleiterbauelement hoher Sperrfähigkeit mit einem Halbleiterkörper, der wenigstens zwei unterschiedlich dotierte, schichtförmige Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit jeweils zwischenliegendem pn-Übergang aufweist, und dessen Mantelfläche in ihrem Verlauf von der höher dotierten zur niedriger dotierten Zone jeweils im Bereich des Austritts des pn-Übergangs mit der pn-Übergangsfläche einen Winkel kleiner 90 einschließt, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Mantelfläche des Halbleiterkörpers dessen zur Kontaktierung vorgesehenen Seiten im wesentlichen senkrecht zugeordnet ist, und
    daß jeweils diejenige zur Kontaktierung vorgesehene Seite des Halbleiterkörpers, an welcher die an den pn-Übergang ( Si, S„ )' angrenzende, höher dotierte Zone ( 2, 4 ) die Außenzone des Halbleiterkörpers bildet, eine Vertiefung ( 8, 9, 18 ) aufweist, deren Randzone in vorbestimmtem Abstand zur Mantelfläche mit der zwischen Mantelfläche und Vertiefung liegenden Oberfläche einen Winkel gleich oder größer 90 einschließt.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung als zentrale Aussparung ausgebildet ist.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung grabenförmig ausgebildet und in sich geschlossen konzentrisch zum zentralen Bereich der Kontaktseite angeordnet ist.
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DE2340128A 1973-08-08 1973-08-08 Halbleiterbauelement hoher Sperrfähigkeit Expired DE2340128C3 (de)

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