DE2340128A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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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.
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-
5 ü 1J - -/'J S 64
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
50 9 80 9 ' ir)r<
'♦
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)
- 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, unddaß 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. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung als zentrale Aussparung ausgebildet ist.
- 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung grabenförmig ausgebildet und in sich geschlossen konzentrisch zum zentralen Bereich der Kontaktseite angeordnet ist.509608/0564-40 -.Leerseite
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