DE2356674A1 - Halbleiterelement mit verbesserten spannungs-dauerleistungseigenschaften - Google Patents

Halbleiterelement mit verbesserten spannungs-dauerleistungseigenschaften

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Description

Patentanwalt
D-8023 .V.G."hen - PuSbch WieR2.'5ir. 2,T. Κάΐπ. 7930570,793 ί 7 32
vln/au München-Pullach, 13. November 1973
ALLMÄNNA SVENSKA ELEKTRISKA AKTIEBOLAGET, S.-721 83 Västeras. Schweden
Halbleiterelement mit verbesserten Spannungs-Dauerleistungseigenschaften.
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement mit wenigstens einem pn-übergang, in welchem in der p-Zone (oder der n-Zone) die Dotierung vom pn-übergang kontinuierlich oder schrittweise zunimmt und eine flächige Isolationsschicht wenigstens am Randabschnitt des pn-Übergangs vorgesehen ist.
Dioden und Thyristoren, die für die Gleichrichtung hoher Spannungen verwendet werden, enthalten als äpannungsempfangenden Abschnitt einen oder mehrere pn-Übergänge oder Übergangszonen, Die Spannungs-Dauerleistung der pn-Übergangszonen, d.h. deren maximal mögliche Grenzspannung ist in der Praxis durch die Flächenstruktur des Halbleiterkristalls beschränkt, da Gitter-UnregelmäBigkeiten und andere unerwünschte Eigenschaften des Kristalls sehr häufig an der Fläche entstehen. Darüber hinaus ist das elektrische Feld in der Nachbarschaft der Fläche häufig stärker als im Inneren des Kristalls, da der Wert der Di■?· elektrizitätskonstanten des Halbleitermaterials und derjenige
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der Isolierschicht unterschiedlich sind und da auch unvorteilhafte Flächenladungen auftreten. Der maximale Wert des elektrischen Feldes in der Sperrschicht oder Sperrzone tritt an der Fläche
iind unmittelbar unterhalb der Fläche auf, was von den Dotierungsbedingungen, deren Konzentration der Flächenladung und der Polarität und schließlich von der Größe des Winkels abhängig ist,
welcher von der Randfläche und der Ebene der pn-Übergangszone
eingeschlossen wird. Daher tritt ein Durchbruch allgemein an der Kristallfläche oder unmittelbar unterhalb dieser auf.
Um die Spannungs-Dauerleistung in dieser Hinsicht zu verbessern, wurden bereits Versuche gemacht, den Kristall in bekannter Weise derart zu schneiden, daß seine Randfläche an der pn-Übegangszone einen schiefen Winkel mit der pn-Übergangsetoene einschließt.
Meistens liegen die Kristalle in der Form rotationssymmetrischer Scheiben vor, wobei die schiefen Schnittflächen die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfes haben. Der Winkelschnitt hat
die Wirkung, daß die elektrische Feldstärke an der Fläche und
unmittelbar unterhalb der Fläche reduziert wird. Die elektrische Feldstärke unterhalb der Fläche wird jedoch in einem geringeren Ausmaß reduziert als die elektrische Feldstärke auf der Fläche. Dies bedeutet, daß sehr kleine Schnittwinkel erforderlich sind, d.h. ein Schnittwinkel zwischen der Ebene der pn-Übergangszone
und derjenigen der Randfläche, damit die Durchbruchsspannung einen Wert erreichen kann, der nahe der maximalen Spannungs-Dauer-' leistung innerhalb des Kristalls liegt und damit die Durchbruchsspannung auf diese Weise primär vom Feld unterhalb der Fläche
abhängig wird. Die maximal mögliche Spannungs-Dauerleistung
(voltage endurance) läßt sich in einer Diode erzielen, wenn der Durchbruch durch das elektrische Feld entlang der Symmetrielinie des Kristalls gesteuert wird. In der Praxis wird die maximale
Spannungs-Dauerleistung erhalten, wenn die elektrische Feldstärke in der Sperrschicht nirgendwo diejenige in dem Volumen (ent-
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lang der Symmetrielinie des Kristalls) überschreitet und wenn die elektrische Feldstärke an der Fläche um einen ausreichen-, den Betrag kleiner ist als in dem Volumen, solange man die niedrigere Spannungs-Dauerleistung der Fläche betrachtet.
Durch die vorliegende Erfindung wird nun ein Halbleiterelement geschaffen, welches noch weiter verbesserte Spannungs-Dauerleistungseigenschaften aufweist. Das Halbleiterelement nach der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß ein Abschnitt der Flächenschicht, der im wesentlichen ausserhalb der p-dotierten (η-dotierten) Zone des pn-Ubergangs gelegen ist, dauerhaft negativ (positiv) flächenmässig geladen ist und "zwar relativ zi einem Abschnitt der Flächenschicht, welcher ausserhalb der η-dotierten (p-dotierten) Zone des pn-Übergangs gelegen ist.
Das Halbleiterä.ement nach der vorliegenden Erfindung weist beträchtlich verbesserte Spannungs-Dauerleistungseigenschaften auf und zwar verglichen mit bisher bekannten Halbleitern, wenn man die entsprechenden Abmessungen vergleicht. Darüber hinaus kann ein Winkelschnitt-Halbleiter nach der vorliegenden Erfindung mit einem kleineren schrägen Schnittwinkel als bekannte Halbleiter, der einen maximalen Schrägwinkel aufweist, hergestellt werden und er besitzt dennoch die gleiche Spannungs-Dauerleistung, was bedeutet, daß die Abmaße eines Halbleiters nach der vorliegenden Erfindung kleiner sein können als die Abmaße eines Halbleiters bekannter Art mit der gleichen Spannungsdauerleistung, oder daß z.B. die Kathodenzone vergrößert werden kann, ohne daß dadurch eine Erhöhung des Durchmessers der Siliziumscheibe erforderlich wird, jedoch trotzdem die Spannungs-Dauerleistung beibehalten wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigt.:
Figur 1 einen Schnitt durch eine Diode mit einem bekannten Winkelschnitt, wobei die Ausdehnung der Sperrschicht in blockiertem Zustand angedeutet ist;
Figuren 2 und 3 das Erscheinen der Grenzschicht in der gleichen Diode wie Figur 1, wenn die Flächenschicht positiv oder negativ geladen ist;
Figur 4 die gleiche Diode, jedoch mit einer Ladungsverteilung der Flächenschicht nach der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 den Gegenstand der Erfindung in Verbindung mit einem Thyristor;
Figuren 6, 7 und 8 in Diagrammform ein vergleichbares Beispiel mit berechneten Werten; und
Figuren 9 und 10 mögliche Anwendungsfälle des Gegenstandes der Erfindung bei verschiedenen Thyristoren mit unterschiedlichen Schnittwinkeln.
Figur 1 zeigt eine Siliziumdiode, die für die Gleichrichtung hoher Spannungen geeignet ist. Die Diode ist rotationssymmetrisch und ist auf einen solchen Brechungswinkel zugeschnitten, daß jede Schnittfläche die Mantelfläche eines Kegelstumpfes bildet. Die Diode besteht aus einem Rohr 1, einem Metallkontakt 2, beispielsweise aus Aluminium, einer Siliziumscheibe mit einer p-dotierten Zone 3 und einer η-dotierten Zone 4, einem Metallkontakt 5 und einem Rohr 6. Wenn der Diode in Rückwärtsrichtung eine positive Spannung zugeführt wird, so entsteht eine Sperr-
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schicht, die aus einer Fläche 7 in der p-dotierten Zone besteht und- einer Fläche 8 in der η-dotierten Zone besteht.
An der Randfläche der.Siliziumscheibe 3, 4 verläuft die Sperrschicht 7, 8 in der gezeigten, nach oben zu gekrümmten Form, wie sie in Figur 1 veranschaulicht ist. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß insgesamt an der Sperrschicht 7, 8 des pn-. Übergangs eine neutrale Zone oder ein neutraler Bereich der Ladung vorherrscht, wobei jede stabile negative Ladung (ionisierter Akzeptor) in der p-dotierten Zone 3- durch eine stabile positive Ladung (ionisierter Donor) in der η-dotierten Zone kompensiert wird. Als Folge des Winkelschnittes, wodurch eine grosse Anzahl von Potentialakzeptoren und dadurch mögliche negative Ladungen von der p-dotierten Zone an dem Randabschnitt der Siliziumscheibe 3, 4 entfernt werden, verläuft die Sperrschicht in einer Krümmung oder Biegung nach oben, derart, daß die gleiche Anzahl von Ladungen wie in der positiven Fläche 8 auch in der Sperrschichtfläche 7 vorhanden ist. Als Folge hiervon verläuft auch die η-dotierte Zone 4 der Sperrschicht in einer Krümmung am Rand nach oben, derart, daß eine etwas kleinere Anzahl von ionisierten Donatoren in dem Randabschnitt der Schicht enthalten ist.
Bei der praktischal Anwendung wird jedoch die p-dotierte Seite in den meisten Fällen stärker dotiert als die η-dotierte Seite, wobei also die Konzentration, betrachtet in Richtung von der pn-übergangszone, zunimmt. In der p-dotierten Zone tritt daher die Sperrschicht in vergleichsweise hochdotiertes Material über und als Ergebnis hiervon ist die maximale elektrische Feldstärke groß und ist auf der hochdotierten p-Seite gelegen, während die maximale Feldstärke äntlang der Symmetrielinie für den Kristall niedriger ist und beim Übergang gelegen ist und zwar zwischen der p-dotierten Seite.und der η-dotierten Seite.
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Gleichzeitig wird das Flächenfeld stark reduziert, da die Breite der Sperrschicht entlang der Fläche größer ist als die Breite der Sperrschicht entlang der Symmetrielinie des Kristalls. Es ergibt sich daraus, daß gerade das Feld unterhalb der Fläche den Durchbruch steuert und daß die Größe der Durchbruchsspannung kleiner ist als die maximal mögliche Spannungs-Dauerleistung (voltage endurance) der Diode.
In der Praxis wird die Situation durch die Tatsache kompliziet, daß die Fläche getrennte elektrische Ladungen enthält, die in dem Übergang zwischen der Siliziimscheibe 3, 4 und einer umgebenden Oxidschicht 9 (Siehe Figur 2), innerhalb der Oxidschicht oder möglicherweise auf der Oxidschicht, in einer schützenden Schicht 16, welche die Oxidschicht abdeckt oder ausserhalb dieser Schicht gelegen sind. Da die-se Möglichkeiten im wesentlichen äquivalent sind, soll sich die folgende Beschreibung nur auf den Fall beschränken, bei welchem die Ladungen in der Oxidschicht gelegen sind.
Bei herkömmlichen Siüiumdioden ist diese Flächenladung positiv und macht eine Kompensation in Form von festen negativen Ladungen in der p-dotierten Schicht erforderlich. Aus diesem Grund wird der Randabschnitt der Sperrschicht im Falle einer positiven Flächenladung noch stärker nach oben zu gebogen als im Falle der Dioden ohne Flächenladung ''siehe Figur 2), was bedeutet, daß die Sperrschicht in noch stärker dotiertes Material reicht bzw. eindringt, was zu einer weiteren Reduzierung der Durchbruchsspannung führt. Zusätzlich wird die nach oben verlaufende Biegung auch auf der η-dotierten Seite ausgeprägter als in dem Fall einer Diode, welche eine nichtgeladene Flächenschicht aufweist, eine Situation, die ebenso dazu beiträgt, daß die Durchbruchsspannung reduziert wird.
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Wenn andererseits die Flächenladung negativ ist (siehe Figur 3), wird der Randabschnitt der Sperrschicht auf der p-dotierten Seite nicht so stark ausgeprägt nach oben gebogen sein, wodurch der Wert der Durchbruchsspannung positiv beeinflußt wird. Damit jedoch eine negative Ladung eine merkliche Wirkung hat, muß sie in Anbetracht der vergleichsweise starken Dotierung in der p-Zone vergleichsweise stark sein. Eine solche starke Flächenladung würde auf der η-dotierten Seite mit der vergleichsweise schwachen Dotierung zu einer zu großen Wirkung führen, derart, daß bereits bei einer geringen Ladespannung die Sperrschicht sich nach unten zu biegt und zwar auf den unteren oder Bodenkontakt hin unter Bildung einer Kontaktverbindung, d.h. es würde ein sogenannter "Durchgriff" (punch through) auftreten.
Bei einer Diode nach der vorliegenden Erfindung (siehe Figur 4) ist die Flächenschicht vom Gesichtspunkt der Ladung aus jeweils in zwei Abschnitte 11 und 12 aufgeteilt. Der Abschnitt 11, der ausserhalb der p-dotierten Zone 3 der Siliziumscheibe gelegen ist, besitzt eine negative Ladung, die für die Sperrschicht der p-dotierten Zone insofern vorteilhaft und geeignet ist als dieser Abschnitt 7 der Sperrschicht sich nicht in Richtung der höheren Dotierung biegt oder abgelenkt wird und der Abschnitt 12 der Sperrschicht, der ausserhalb der η-dotierten Zone gelegen ist, besitzt eine positive Ladung, die für die Sperrschicht der η-dotierten Zone insofern geeignet ist, als dieser Abschnitt 8 der Sperrschicht nicht zu^tark zum unteren Kontakt oder Bodenkontakt 5 hin abgelenkt wird. Um eine günstigere Verteilung oder Ausbreitung der Sperrschicht zu erzielen, erstreckt sich der negativ geladene Abschnitt der Flächenschicht in bevorzugter Weise etwas nach unten über die η-dotierte Fläche, wo die Flächenschicht dann schrittweise in einen Zustand positiver Ladung übergeht. Ein steiler Übergang würde hohe elektrische Felder enthalten, was ungünstig ist. Die für die Sperrfläche be-
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ORK3INÄI INSPECTED'
stimmte Struktur ist derart, daß die Speirfläche auf der p-dotierten Seite nicht in die hochdotierte Fläche hineinreicht und daß sie auf der η-dotierten Seite nicht den unteren oder Bodenkontakt erreicht (oder einen anderen pn-Ubergang, z.B. in einem Thyristor, siehe Figur 5) und daß gleichzeitig die Breite der Sperrschicht entlang der Fläche ausreichend groß ist, damit das Flächenfeld unterhalb des kritischen Werts reduziert wird, der der reduzierten Spannungs-Dauerleistung der Fläche entspricht. Eine Diode nach der vorliegenden Erfindung mit einer entsprechend der vorausgegangenen Beschreibung geladenen Flächenschicht besitzt eine beträchtlich höhere Durchbruchsspannung als Dioden, die unter Hinweis auf Figuren 1,2 und 3 beschrieben wurden.
In Figur 5 ist ein Thyristor veranschaulicht, der eine Flächenschicht besitzt, die entsprechend der vorliegenden Erfindung geladen wurde. Der Thyristor enthält ein Rohr 13, einen Metallkontakt 14, eine Siliziumscheibe mit einer η-dotierten Schicht 15, einer p-dotierten Schicht 16, einer η-dotierten Schicht 17 und einer p-dotierten Schicht 18, einem Metallkontakt 19 und einem Rohr 20. Die Siliziumscheibe ist durch eine flächige Schicht 21 abgedeckt. Der SteueranSchluß wurde der Einfachheit halber weggelassen. Der Thyristor 1st in der gleichen Weise wie die zuvor beschriebenen Dioden im Winkelschnitt ausgeführt und die zweite derste pn-Übergangszone enthält einen Randabschnitt, der geometrisch und elektrisch dem Randabschnitt des pn-Übergangs der zuvor beschriebenen Dioden entspricht und es ist dieser pn-übergang des Thyristors, welcher den Hauptteil der Spannung aufnimmt, wenn der Thyristor im Sinne der Figur 5 nach oben zu Strom sperrt. Um genau wie bei den Dioden die nach oben verlaufende Biegung oder die zu stark ausgeprägten nach unten gerichteten Biegungen der Sperrschicht dieser pn-Übergangszone am Randabschnitt der Siliziumscheibe zu beseitigen, ist die flächige Schicht 21, vom Standpunkt der Ladung her betrachtet,
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in einen negativ geladenen Abschnitt 22, der sich ausserhalb der p-dotierten Zone und über einen Abstand nach unten zu der hier angesprochenen n-dotierten Zone erstreckt, und einen positiv geladenen Abschnitt 23 aufgeteilt, der ausserhalb des im wesentlichen η-dotierten Bereiches gelegen ist. Die flächige Schicht umfaßt auch eine Schicht 24,aus Siliziumgummi. Das Aussehen der Sperrschicht entspricht daher der schematischen Darstellung gemäß Figur 5.■■■*■'-
Wenn der Thyristor entsprechend Figur 5 nach unten zu den Strom sperrt, so nimmt die untereste pn-Übergangszone den Hauptteil der Grenzspannung auf. Es sind jedoch die geometrischen Bedingungen an dieser pn-Übergangszone unterschiedlich. Der Durchmesser der p-dotierten Zone, relativ zur η-Zone vergleichsweise höher dotiert, nimmt im Gegensatz zur p-Zone des zuvor beschriebenen pri-Übergangs zu und zwar mit zunehmenden Abstand vom pnübergang und der vergleichsweise mittelmäßig dotierte n-Berelch bzw. Zone weist vergl-ichen mit dem pn-übergang einen kleineren Durchmesser auf. Demzufolge biegt sich im Falle einer neutralen flächigen Schicht die Sperrschicht etwas nach oben, da sie Jedoch in diesem Fall nicht in den höher dotierten Bereich hineingelangt (die mittelmäßig dotierte Seite, in diesem Fall die ndotlerte Seite, die gewöhnlich eine konstante Dotierung aufweist) führt dies nicht zum Erzeugen eines hohen Feldes unterhalb der Fläche. Darüber hinaus 1st das Fläehenfeld stark, reduziert, was von der Breite der Sperrschicht an der Fläche abhängig ist. Diese Reduzierung des Flächenfeldes ist ausreichend zu bewirken^ daß eine leichte Konzentration positiver Lädungen, die zum Vermeiden eines Durchgriffs (punch through) erforderlich sM, nicht zu einer kritischen Erhöhung des Flächenfeldes führen. Zusätzlich ist der Schnittwinkel an diesem Randabschnitt auch beträchtlich größer als an dem pn-übergang, der zuvor beschrieben wurde. Allgemeine Werte für die verschiedenen Schnittwinkel
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sind jeweils 45° und 1°.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters der zuvor beschriebenen Art. Dieses Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß einem ausserhalb der im wesentlichen p-dotierten (η-dotierten) Zone des pn-Übergangs gelegenen Flächenabschnitt eine dauerhafte negative (positive) Flächenladung relativ zu.einem Flächenabschnitt, der ausserhalb der η-dotierten (p-dotierten) Zone des pn-Übergangs gelegen ist, aufgedrückt wird.
Eine Möglichkeit, dieses Verfahren zu realisieren, besteht darin, die Oxidschicht, welche den Umfang der Siliziumscheibe umgibt, einem Ionenbeschuß auszusetzen. Dies wird in bevorzuger Weise folgendermaßen durchgeführt:
Zunächst wird beiden Abschnitten der Oxidschicht, die ausserhalb der p-dotierten Zone und die ausserhalb der η-dotierten Zone gelegen sind, eine Ladung aufgedrückt, die für die η-dotierte Zone günstig ist und zwar mit Hilfe eines IonenbeSchusses, Wärmebehandlung oder möglicherweise durch chemisches Ätzverfahren. Dann wird dem pn-übergang eine vergleichsweise hohe Spannung zugeführt und der pn-übergang wird einem Beschüß von geladenen Ionen ausgesetzt, wobei dafür Sorge getragen wird, daß die n-Seite eine Spannung aufweist, durch die sichergestellt wird, daß die Ionen nicht alle oder nur in einem kleinen Ausmaß auf die Flächenschicht auf der η-Seite aufschlagen. Der Beschüß wird fortgesetzt, bis der Flächenladungswert, der für die p-dotierte Seite günstig ist, im Abschnitt der flächigen Schicht erreicht wird, die im wesentlichen ausserhalb der p-dotierten Zone gelegen ist. Die Tatsache, daß durch den lonenbeschuß einer Siliziumschicht, die mit Siliziumoxid, SiO«, überzogen ist, eine negative Flächenladung hervorgerufen wird, ist bereits bekannt und ist bei-
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spielsweise in der Literatur stelle "Surface states Induced byion implantation" von W. Fahrner und A. Goetzberger, II Internationale Konferenz für Ionenimplantation bei Halbleitern, Mai 1971, beschrieben.
Darüber hinaus hat der Ionenbeschuß die vorteilhafte Wirkung, daß dadurch die Oxidschicht zusätzlich zu rgeschilderten Flächenladung eine verbesserte Dielektrizitätsfestigkeit erhält, da die regelmäßige Struktur des Gitters zerstört wird und ein mehr amorpher Kristall erzielt wird. Nach dem Ionenbeschuß wird d?r Kristall in bevorzugter Weise wärmebehandelt, um dadurch S tr ahlungs schaden unähnlichen Zerstörungen zu beseitigen und um die bestmögliche Ausführung der pn-Übergangszone zu erzielen.
Um die Bedeutung des Gegenstandes der Erfindung noch weiter hervorzuheben, soll im folgenden ein Beispiel mit Angabe exakter Werte beschrieben werden. In Figur 5 ist im Detail die Ausdehnung der Sperrschicht am Rand einer pn-Übergangszone in einem Kristall veranschaulicht, der auf einen Winkel-.von 6° geschnitten ist» Die p-dotierte Zone ist höher dotiert als die n-dotierte Zone, wobei man für diese Zone angenommen hat, daß sie eine Konzentration von 6 χ 10 cm aufweist. Es wurde somit ein
1Q Störstoff vom p-Typ mit einer Flächenkonzentration von 3 x 10 ^ cm in 90 um diffundiert und ein weitererStörstoff vom p-Typ
16-3 mit einer Flächenkonzentration von 195 x 10 cm ^ wurde in
1 /Lm diffundiert. Es wurde eine positive Flächenladung von 10
cm angenommen» Die Sperrschicht nahm dann, nachdem eine Spannung von 1.640 V, d.h. die maximale Grenzspannung, zugeführt wurde, die in Figur 6 veranschaulichte Ausdehnung oder Erlauf an ο Die maximale Feldstärke wurde mit 217 kV/cm berechnet und wie sich aus Figur 6 ergibt, tritt diese an der nach oben verlaufenden Krümmung der Sperrschicht in dem p»dotierten Abschnitt auf» Die maximale Feldstärke innerhalb des Volumens^ dah. nahe
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der Symmetrieachse des Siliziumkristalls beträgt nur 149 kV/cm, was bedeutet, daß bei noch weiter erhöhter Ladespannung ein Durchbruch nahe der Fläche auftritt. Demzufolge sind es die an der Fläche herrschenden Bedingungen bzw. Zustände, welche die Spannungs-Dauerleistung des Halbleiters begrenzen.
Wenn die zuvor erwähnte Berechnung der Feldstärken der Sperrschicht für unterschiedliche Werte der Flächenladung durchgeführt wird, läßt sich ein Diagramm der in Figur 7 gezeigten Art auftragen. Dieses Diagramm zeigt die maximale Feldstärke in der p-dotierten Zone als Funktion der Konzentratbn,der Flächenladung, wobei die berechneten Werte der positiven und negativen Flächenladungen jeweils als Punkte und Kreuze markiert sind. Das Diagramm enthält auch eine strichlierte Linie, welche die maximale Feldstärke in dem Volumen anzeigt, d.h. 149 kV/cm. Aus dem Diagramm ergibt sich, daß nur die positive Flächenladung die Situation verschlechtert, während die Feldstärkenkurve, die die negative Flächenladung anzeigt, die Linie entsprechend den
1 P —P 149 kV/cm bei einem Wert der Flächenladung von ca. 10 cm
12 — 2
schneide.t. Eine negative FlächenXadung, welche 10 cm überschreitet, führt daher zu einer kleineren maximalen Feldstärke auf oder unmittelbar unterhalb der Fläche als im Inneren des Kristalls. Dies ist wünschenswert und bedeutet, daß der Randabschnitt in diesem Fall die Spannungs-Dauerleistung des Halbleiters nicht auf einen Wert beschränkt, der kleiner ist als der Wert, der innerhalb der Siliziumschelbe vorherrscht.
Figur 8, zeigt den Verlauf oder die Ausdehnung der Sperrschicht für den gleichen Halbleiter wie in Figur 6, Jedoch mit einer ne-
12 —2
gativen Flächenladung von 10 cm ausserhalb der p-dotierten Zone und über einen Bereich, der der maximalen Ausdehnung der Grenzschicht nach unten zu über die η-dotierte Zone entspricht und bei einer positiven Flächenladung von 10 2 cm"2 ausserhalb
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des verbleibenden Teils der η-dotierten Zone. Die maximale Feldstärke ist in diesem Fall auf 150 kV/cm geschätzt und sie tritt unmittelbar unterhalb der Fläche der Siliziumscheibe auf. Durch diese Anordnung wird nun erreicht, daß die Durchbruchsspannung an der Fläche nahezu die gleiche wie im Inneren, des Kristalls ist, so daß diese durch die an der Fläche vorherrschenden Bedingungen oder Zustände nicht nennenswert eingeschränkt wird. In den Figuren 9 und 10 sind Anwendungsfälle des Gegenstandes der Erfindung veranschaulicht, nicht nur um die Durchbruchsspannung für eine gegebene Struktur zu erhöhen, die definierte Dotierungszustände aufweist und ebenso ein gegebenes Randprofil aufweist, sondern auch um die Kathodenfläche für eine gegebene Größe der Halbleiterscheibe zu vergrößern. Figur 9 zeigt somit einen Winkelschnitt-Kristall, der keinen Brechungswinkel im Schnitt aufweist und Figur 10 veranschaulicht einen Kristall mit einem vollständig geraden Randabshnitt, wobei beide spannungsempfangscLe pn-Übergangszonen, welche in diesem Fall an den Randabschnitten geometrisch identisch sind, mit einer flächigen Schicht ausgestattet sind, die eine Ladungsverteilung mit einem weieren negativ geladenen Abschnitt 25 im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweist. Im übrigen sind in den Figuren 9 und 10 die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 5 für entsprechende Einzelheiten verwendet.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es lassen sich verschiedene Abwandlungen durchführen, ohne dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der Übergang zwischen negativer und positiver Flächenladung ist nicht auf die maximale Ausdehnung des Sperrbereiches fixiert, sondern kann unterschiedlich gelegen sein. Die vorliegende Erfindung läßt sich, auch bei Kristallen verwirklichen, die in anderer Weise als die zuvor erläuterten Kristalle im Winkel geschnitten sind, und sie kann auch
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auf mehrere pn-Übergangszonen in dem gleichen Halbleiter zurAnwendung gelangen. Es ist nicht erforderlich, daß die verschiedenen geladenen Abschnitte der flächigen Schicht aus einem positiven und einem negativen Abschnitt bestehen, sondern es können auch beide positiv oder negativ sein, wobei die positiven und negativen Ladungen eine unterschiedliche Größe haben können. Unter der Bezeichnung "frlächenladung" soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, daß die Ladung iriBrhalb der flächigen Schicht, zwischen dieser Schicht und dem eigentlichen Halbleiterelement oder zwischen der flächigen Schicht und der umgebenden Atmosphäre verteilt sein kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Halbleiter aus Silizium beschränkt,sondern es können auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden. Die Isolationsschicht kann, um eine sich ändernde Flächenladung zu erhalten, aus Substanzen bestehen, die in dieser Hinsicht spezielle Eigenschaften aufweisen, beispielsweise Siliziumnitrit, welches durch thermische Zersetzung von Silan in einer Ammonium- und/oder Stickstoffgasatmosphäre, die bekanntlich positive Ladungen enthält, und Aluminiumoxid, welches auf ähnliche Weise aufgebracht wird und negative Ladungen enthält. Die Schicht kann auch mit Hilfe des sogenannten Kathodenzerstäubungsverfahren aufgebracht werden.. Es ist ebenso möglich, die Schicht mit Hilfe der Elektrolyse aufzubringen. Während des Ionenbeschusses können gedopte Ionen in den Halbleiter ' implantiert werden und zwar unmittelbar unterhalb der Fläche, wodurch eine dünne Schicht dotierten Materials erhalten wird, die vom p- oder η-Typ sein kann, was von der Wahl der Art der verwendeten Ionen abhängig ist.
Schließlich sei noch hervorgehoben, daß der Gegenstand der vorliegenden Erfindung natürlich auch vollständig bei Halbleitern verwendet werden kann, die Komplemente der zuvor beschriebenen
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Halbleiter darstellen, d.h. wenn η anstel-le von ρ tritt und ρ an die Stelle von η tritt und positiv an die Stelle von negativ und negativ an die Stelle von positiv tritt, was die Ladung der dotierten Schichten und derjenigen der flächigen Schicht betrifft.
Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.
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Claims (18)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    (i »J Halbleiter mit wenigstens einer pn-Übergangszone, deren Dotierung im p-Bereich (oder η-Bereich) vom pn-übergang aus kontinuierlich oder schrittweise zunimmt, und mit einer flächigen Isolierschicht wenigstens am Randabschnitt der pn-Übergangszone, gekennzeichnet durch einen ausserhalb der im wesentlichen p-dotierten (η-dotierten) Zone des pn-Übergangs gelegenen Abschnitt der flächigen Schicht, welcher eine dauerhafte negative (positive) Flächenladung relativ zum Abschnitt der flächigen Schicht, der ausserhalb der η-dotierten (p-dotierten) Zone des pn-Über-
    gelegen ist.
    gangs/auxweist.
  2. 2. HalbMter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der flächigen Schicht, der ausserhalb der p-dotierten (η-dotierten) Zone des pn-Übergangs gelegen ist, eine ne-.gative (positive) Flächenladung und der Abschnitt der flächigen Schicht, welcher ausserhalb der η-dotierten (p-dotierten) Zone des pn-Übergangs gelegen ist, eine positive (negative) Ladung aufweist.
  3. 3. Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Abschnitte der flächigen Schicht eine negative Flächenladung besitzen.
  4. 4. Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Abschnitte der flächigen Schicht eine positive Flächenladung besitzen.
  5. 5. Halbleiter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen den zwei Abschnitten der flächigen Schicht, die unterschiedliche
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    Flächenladungen aufweisen,, allmählich und nicht plötzlich verläuft.
  6. 6« Halbleiter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche % dadurch gekennzeichnet, daß der tJbergang zwischen den zwei Abschnitten der flächigen Schicht sich parallel zum Randabschnitt des pn-tib er gangs erstreckt und im wesentlichen, über der η-dotierten (p-dotierten) Zone des pn-Übergangs gelegen ist.
  7. 7. Halbleiter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenladung im wesentlichen bei dem übergang zwischen der flächigen Schicht und dem eigentlichen Halbleitermaterial gelegen ist.
  8. 8. Halbleiter nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenladung im wesentlichen innerhalb der flächigen Schicht gelegen ist.
  9. 9. Halbleiter nach einem oder mehreren d?r Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,, daß die Flächenladung im wesentlichen an der Aussenflache der flächigen Schicht gelegen ist.
  10. 10* Halbleiter nach Anspruch S, bei welchem die flächige Schicht aus einer elektrischen Isolationsschicht, bevorzugt einem Oxid, und aus einer Schicht aus einem im wesentlichen mechanisch isolierendem Material,; bevorzugt Siliziumgummi, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenladungen, im wesentlichen am Übergang zwischen den zwei Schichten gelegen sind.
  11. 11. Halbleiter nach Anspruch 8, bei'welchem die flächige Schicht aus einer elektrischen Isolierschicht, bevorzugterweise einem Oxid, und einer Schicht aus einem im, wesentlichen mechanisch, jedoch ebenso elektrisch, isolierendem Material, wie beispiels-
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    weise Siliziumgummi, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenladungen im wesentlichen in der Schicht gelegen sind, welche aus dem mechanisch isolierendem Material besteht.
  12. 12. Halbleiter nach Anspruch 8, bei welchem die flächige Schult aus einer elektrischen Isolierschicht, bevorzugt einem Oxid, und einer Schicht aus einem im wesentlichen mechanisch isolierendem. Material, z*B. Siliziumgummi, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenladungen im wesentlichen in der elektrischen Isolierschicht gelegen sind.
  13. 13. Halbleiter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, mit mehreren aufeinanderfolgenden pn-Übergangszonen, wie beispielsweise ein Thyristor, und mit in bekannter Weise winkelig geschnittenem Randabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Abschnitte der fjächigen Schicht an dem pn-Übergang gelegen sind, welcher den Hauptteil der Grenzspannung aufweist und daß diese geometrisch so gelegen sind, daß der Abschnitt der p-Zone oder η-Zone mit der stärksten Dotierung eine Querschnittsfläche aufweist, die vom pn-übergang aus abnimmt.
  14. 14« Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters nach, Anspruch 1, wobei der Halbleiter wenigstens einen pn-übergang mit einer Dotierung aufweist, die vom pn-übergang aus kontinuierlich oder schrittweise in die p-Zone (oder in die η-Zone) zunimmt, und eine flächige Isolierschicht wenigstens am Randabschnitt des pn-Übergangs vorhanden ist,, dadurch gekennzeichnet, daß einem Abschnitt der flächigen Schicht, welcher ausserhalb der im wesentlichen p-dotierten (rt-dotierten) Zone des pn-Übergangs gelegen ist, eine dauerhafte negative (positive) Flächenladung aufgedrückt wird und zwar relativ zu dem Abschnitt der flächigen Schicht, welcher ausserhalb der η-dotierten (p-dotierten) Zone des pn-Übergangs gelegen ist«
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  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Abschnitte der flächigen Schicht durch Ionenbeschuß der jeweiligen Abschnitte der flächigen Schicht unterschiedlich aufgeladen werden.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte flächige Sdhicht solange beschossen wird, bis der ausserhalb der η-dotierten (p-dotierten) Zone gelegene Abschnitt eine geeignete Ladung erreicht hat, daß dann die flächige Schicht bei an den pn-übergang angelegter, derartig gewählter Spannung beschossen wird, daß die Ionen nicht vollständig oder wenigstens in einem sehr geringen Ausmaß auf den Abschnitt der flächigen Schicht aufschlagen, welcher ausserhalb der η-dotierten (p-dotierten) Zone gelegen ist, jedoch lediglich der ausserhalb der p-dotierten (η-dotierten) Zone gelegene Abschnitt solange beschossen wird, bis ein geeigneter Ladungswert an diesem zuletzt erwähnten Abschnitt erreicht ist.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Abschnitte der flächigen Schicht durch Elektronenbeschuß unterschiedlich geladen werden.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Abschnitte der flächigen Schicht durch elektrolytische Einwirkung auf die jeweiligen Abschnitte der flächigen Schicht unterschiedlich geladen werden.
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