DE2409395C3 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement mit einem Substrat aus einem Halbleitermaterial eines
bestimmten Leitfähigkeitstyps in Form eines Hohlzylinders mit vorbestimmten Querschnittsprofil, mit mindestens
einer Halbleiterschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf der Außen- und/oder der Innenumfangsfläche
des Substrats, die mit letzterem einen pn-Überzug in Form einer um die Längsachse des
Substrats herum gekrümmten Fläche bildet, und mit zwei Metallelektroden in ohmschen Kontakt mit der
Außen- bzw. der Innenumfangsfläche des Substrats bzw. der Halbleiterschicht.
Bei herkömmlichen Halbleiterbauelementen ist mindestens ein pn-Übergang in einem flachen Substrat aus
einem Halbleitermaterial beispielsweise durch Diffusion von der einen Fläche her oder durch epitaxiales
Wachstum darauf ausgebildet. Der resultierende pn-Übergang besitzt normalerweise die Form einer ebenen
Fläche und liegt am Außenumfang an der Umfangsfläche des Substrats frei. Wenn die Fläche eines
pn-Übergangs zur Erhöhung des Stromaufnahmevermögens des Halbleiterbauelements vergrößert wird,
vergrößert sich unweigerlich auch der an der Umfangsfläche des betreffenden Halbleiter-Substrats freiliegende
Abschnitt des pn-Überganges. Infolgedessen ist dabei der Oberflächenkriechstrom vergleichsweise
hoch, wodurch die Spannung verringert wird, welcher das Halbleiterbauelement zu widerstehen vermag.
Bisher war es für die Herstellung von Halbleiterbauelementen üblich, flache Halbleiterbauelemente und
flache Trägerelektroden dafür zu verwenden. Zur Vermeidung einer Beschädigung eines Halbleiterbauelements
infolge eines Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Werkstoffen
des Halbleiterkörpers und der angrenzenden Elektrode bei der Wärmebehandlung war es bisher erforderlich,
für das Halbleiterbauelement und die Elektrode solche Werkstoffe zu verwenden, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten
sich einander möglichst stark annähern. Bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterbauelement
mußte daher die dieses Bauelement tragende Elektrode aus Molybdän oder Wolfram bestehen.
Infolge ihrer großen Härte sind diese metallischen Werkstoffe jedoch nicht einfach maschinell zu bearbeiten,
und sie können auch nicht immer ohne weiteres Oberflächenbehandlungen, wie Löten bzw. Hartlöten
und Plattieren bzw. Galvanisieren, unterworfen werden. Die Struktur der Elektrode für Halbleiterbauelemente
bedingte mithin eine der Einschränkungen bezüglich ihrer Konstruktion.
Aus der GB-PS 8 15 699 ist ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur
Herstellung desselben bekannt. Bei diesem Halbleiterbauelement ist der an der Oberfläche des Substrats
freiliegende pn-Übergang gegenüber Halbleiterbauelementen mit pn-Übergängen in Form einer ebenen
Fläche verkleinert Gemäß einem Ausführungsbeispiel dieses bekannten Halbleiterbauelements gelangen ringförmige
bzw. stabförmige Elektroden zur Anwendung, die derart ausgeführt werden, daß sie dicht über den
Halbleiter-Hohlzylinder bzw. dicht in diesen Zylinder eingepaßt werden können.
Aus der DE-OS 15 89 783 ist ebenfalls ein Halbleiterbauelement
mit einem Halbleiterkörper aus monokristallinem Material wie z. B. Silizium bekannt, wobei es
sich jedoch bei diesem bekannten Halbleiterbauelement nicht um einen zylindrischen Körper handelt. Dieses
bekannte Halbleiterbauelement weist abgeschrägte Seitenflächen auf, die mit der Grenzfläche des
pn-Überganges einen spitzen Winkel einschließen. Diese abgeschrägten Seitenflächen des Halbleiterkörpers
führen zu dem Vorteil, daß sich die maximal zulässige Sperrspannungsbelastbarkeit wesentlich erhöht,
da sich bei gegebener Sperrspannung die Feldstärke an der Oberfläche in der Umgebung des
pn-Überganges niedriger halten läßt als ohne Abschrägung.
Bei dieser bekannten Konstruktion soll nach den Ausführungen der genannten deutschen Offenlegungsschrift
die Spannungsbelastbarkeit derartiger Bauelemente noch weiter erhöht werden. Dies wird dadurch
erreicht, indem man die Seitenfläche dieser Halbleiterbauelemente in einem spitzen Winkel verlaufen läßt, der
eine bestimmte Größe hat.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement der eingangs definierten
Art derart zu verbessern, daß während der Wärmebehandlung bei der Herstellung des Halbleiterbauelements
oder im Betrieb desselben auftretende thermisch bedingte mechanische Spannungen unschädlich
gemacht werden und dadurch das Entstehen von Rissen in dem Halbleiterbauelement verhindert wird.
Ausgehend von dem Halbleiterbauelement der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungs-
&■> gemäß dadurch gelöst, daß die an der Innenumfangsfläche
des Substrats bzw. der Halbleiterschicht angeordnete Elektrode aus Metall mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten
als dem des Halbleitermaterials des
Substrats besteht, und daß die auf der Außenumfangsfläche
des Substrats bzw. der Halbleiterschicht angeordnete Elektrode aus Metall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
besteht, welcher denjenigen des Halbleitermaterials des Substrats nicht übersteigt
Aufgrund dieses unterschiedlicheil Wärmeausdehnungskoeffizienten wird auf das Halbleitermaterial bei
entsprechender Erwärmung ein beidseitiger Druck ausgeübt, wodurch die Bruchanfälligkeit des Halbleitersubstrats
wesentlich vermindert wird.
Im einzelnen kann die Erfindung dadurch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß die an der
Innenumfangsfläche des Substrats bzw. der Halbleiterschicht vorgesehene Elektrode die Form eines Hohlzylinders
besitzt.
Schließlich kann die Erfindung auch dadurch noch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß ein Teil
des pn-Obergangs an einem Abschnitt der Oberfläche des Substrats freiliegt, der zu einer kegclslumpfförmi-
gen Fläche geformf ist.
Die kegelstumpfförmige Gestaltung des Halbleiterbauelements
führt speziell bei der zylindrischen Konstruktion zu dem Vorteil, daß die Stromdichteverteilung
in dem Halbleiterbauelement wesentlich verbessert wird, was sich aufgrund der unterschiedlichen
Größe der Übergangsflächen zwischen dem Halbleitersubstrat und den Elektroden erklären läßt.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der «Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 eine Stirnsei'ena'isicht eines zur Verwendung
bei dem Halbleiterbauelement geeigneten Substrat aus
Halbleitermaterial;
Fig.2 einen Läng&chiMtt längs der Linie H-II in
Fig. 1,
Fig.3 eine Stirnseile'iar'sicht des Halbleitersubstrats
mit einer HalbleitersCriicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,
Fig.4 einen Längsschnitt längs der Linie IV-IV in
F i g. 3,
Fig.5 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung und
Fig.6 eine Fig. 5 ähnelnde Ansicht eines abgewandelten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Der pn-Übergang kann die Form einer beliebig gekrümmten Fläche besitzen, ist es aus den im
folgenden gena.inten Gründen am vorteilhaitesten, dem
pn-Übergang die Form einer kreiszylindrischen Fläche zu verleihen, wie es auch aus der GB-PS bekannt ist.
Wenn nämlich der pn-Übergang die Form einer kreiszylindrischen Fläche besitzt, wird in dem zugeordneten
Halbleitersubstrat sowie an diesem Übergang ein gleichmäßiges elektrisches Feld hergestellt. Außerdem
werden hierdurch die Fertigung und die maschinelle Bearbeitung von homogenen, hochqualitativen Halbleitersubstraten
vereinfacht, und ihre Übergänge können ohne weiteres gleichmäßig ausgebildet werden.
Zudem wird dadurch gewährleistet, daß die Elektrode einfach an den Halbleitervorrichtungen betriebsfähig t,o
angebracht werden kann. Ada diesem Grund werden die
Ausführungsbeispiele im folgenden in Verbindung mit kreiszylindrischen Substraten aus Halbleitermaterial
beschrieben, doch ist zu beachten, daß auch Halbleitersubstrate eines beliebigen anderen Querschnittsprofils
als mit kreiszylindrischem Profil anwendbar sind.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Substrat aus einem zweckmäßigen Halbleitermaterial, wie Silizium, in Form
eines kreisförmigen Hohlzylinders 10 dargestellt, der von einer koaxialen Zentralbohrung 12 durchsetzt wird
Das Substrat 10 weist somit eine innere und eine äußere Umfangsfläche auf, die zwei einander gegenüberliegende
Hauptflächen bilden. Das Substrat 10 besteht bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Einkristall aus Silizium vom η-Typ. Das n-Typ-Substrat 10 weist
eine rohrförmige p-Typ-Schicht 14 an der einen Hauptfläche, & h. an ihrer Innenumfangsfläche, und eine
rohrförmige η + -Typ-Schicht 16 auf der anderen Hauptfläche, d. h. an der Außenumfangsfläche auf.
wobei diese Schichten dadurch hergestellt worden sind, daß Dotierungen, welche dem Substrat die p- bzw.
n-Leitfähigkeit verleihen, von der Innen- bzw. Außenumfangsfläche des Substrats her bis zu jeweils einer
vorbestimmten Tiefe in das Halbleitermaterial des Substrats 10 eindiffundiert wurden. Die rohrförmigen
Schichten 14 und 16 sind koaxial zur Längsachse des Substrats 10 angeordnet Die rohrförmige p-Schicht 14
bildet einen pn-Übergang 18 zwischen ihr und dem Substrat 10 vom η-Typ, während die rohrförmige
η+ -Schicht 16 einen nn +-Übergang 20 zwischen ihr und dem n-Typ-Substrat 10 bildet, und beide Übergänge
verlaufen koaxial zur Längsachse des Substrats 10. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegen diese
Übergänge 18 und 20 als kreiszylindrische Flächen vor, die ebenfalls koaxial zur Längsachse des Substrats 10
und mithin zur Zentralbohrung 12 verlaufen.
Der auf diese Weise hergestellte Aufbau bildet gemäß den Fig. 3 und 4 ein Halbleiterbauelement in Form
einer pnn +-Diode, bei welcher die innerste Schicht 14 vom p-Typ und die äußerste Schicht 16 vom η+ -Typ ist,
während die Innenschicht oder Zwischenschicht aus dem ursprünglichen Halbleitermaterial vom n-Typ
besteht.
In F i g. 5, in welcher die den Teilen von F i g. 3 und 4 entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezugsziftern
bezeichnet sind, ist ein fertiggestelltes Halbleiterbauelement dargestellt, weiche die Diode gemäß Fig. 3 und 4
sowie zwei betrieblich damit verbundene Metall-Elektroden aufweist.
Genauer gesagt, sind dabei die beiden Stirnflächen des Substrats zu kegelstumpfförmigen Flächen abgeschrägt.
Sodann wird eine hohlzylindrische Metallelektrode 22 mit einer dem Substrat 10 komplementären
Bohrung auf das Substrat aufgeschoben und mit Hilfe einer zwischengefügten Schicht 24 aus einem zweckmäßigen
Hartlot, wie Aluminium, mechanisch und elektrisch mit dem Substrat verbunden. Die Elektrode 22
bildet eine Kathode und endet kurz vor den beiden Enden der rohrförmigen Außenschicht 16. Eine andere
Metallelektrode 26 mit der Zentrahlbohrung 12 angepaßter Form ist in letztere eingesetzt und durch
eine der Lotmaterialschicht 24 ähnelnde Lotschicht 28 mechanisch und elektrisch mit dem Substrat 10
verbunden. Die Elektrode 26 bildet eine Anode und ragt aus den beiden Enden des Substrats 10 heraus. Gemäß
F i g. 5 besitzt die Anode 28 die Form eines kreisförmigen Hohlzylinders. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Innere der Elektrode 28 als Durchgang
für ein Kühlmedium benutzt werden, so daß das Halbleiterbauelement ohne weiteres mit hohem Wirkungsgrad
kühlbar ist.
Die zur Bildung der Elektrode, welche als Träger für das zugeordnete Halbleiterbauelement dient, ausgewählten
metallischen Werkstoffe mußten bisher zwangsläufig ungefähr den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
besitzen wie das Halbleitermate-
rial des Bauelements. Wenn beispielsweise das Halbleiterbauelement
aus Silizium besteht, wurde als Trägerelektrode eine solche aus Molybdän oder Wolfram verwendet.
Diese bisher für die Elektrode verwendeten metallischen Werkstoffe sind jedoch infolge ihrer großen
Härte nicht leicht maschinell zu bearbeiten. Außerdem ist es dabei nicht immer einfach, diese Werkstoffe
Oberflächenbehandlungen, wie Löten bzw. Hartlöten oder Galvanisieren, zu unterwerfen. Aus diesem Grund
stellte bisher die Auswahl des Elektrodenmaterials einen der die Konstruktion von Halbleiterbauelementen
einschränkenden Faktoren dar.
Diese Einschränkung wird bezüglich der Wärmeausdehnungskoeffizienten
der metallischen Werkstoffe für die Trägerelektrode ausgeschaltet. Dies zeigt das in
F i g. 6 dargestellte Halbleiterbauelement. In F i g. 6 sind die den Teilen von Fig.4 und 5 entsprechenden Teile
mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von
derjenigen gemäß den Fig. 4 und 5 nur darin, daß die
Innenelektrode 26' die Form eines massiven Zylinders von kreisförmigem Querschnitt besitzt, der aus einem
Metall mit größerem Wärmeausdehungskoeffizienten als dem des Materials des Halbleitersubstrats 10 besteht,
während die Außenelektrode 22' aus Metall besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich groß oder
kleiner ist als derjenige des Materials des Substrats 10. Beispielsweise kann die Innenelektrode 26' aus Kupfer
bestehen.
Die Erfindung bietet somit zahlreiche Vorteile. Zunächst seien die Vorteile des aus der o. g. GB-PS
bekannten Halbleiterbauelements und damit auch des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gegenüber
herkömmlichen Halbleiterbauelementen mit im wesentlichen ebenen pn-Obergangsflächen betrachtet. Beispielsweise
kann die Stromkapazität ohne weiteres dadurch erhöht werden, daß die Länge des betreffenden
Halbleitersubstrats vergrößert wird, um die Fläche des pn-Obergangs in dem Substrat zu vergrößern. Diese
Flächenvergrößerung des pn-Übergangs ist dabei nicht von einer Vergrößerung des an der Oberfläche des
Substrats freiliegenden Abschnitts des pn-Übergangs begleitet, wie dies bei bekannten Halbleiterbauelementen
mit pn-Übergängen in Form einer ebenen Fläche der Fall ist. Dies bedeutet, daß bei dieser Konstruktion
die beiden an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Substrats freiliegenden Ränder des pn-Übergangs
unabhängig von der Länge des Substrats gleich groß
ίο bleiben. Selbst wenn die Stromkapazität, wie erwähnt,
erhöht wird, bleibt dabei der Oberflächenkriechstrom auf einem vergleichsweise niedrigen, festen Wert, ohne
sich zu erhöhen. Außerdem kann das Volumen des Halbleiterbauelementes im Vergleich zu den herkömm-
liehen Halbleiterbauelementen mit ebenen pn-Übergängen
ähnlicher Stromkapazität verkleinert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Halbleiterbauelement
einen pn-Übergang in Form einer gekrümmten Fläche besitzt.
Darüberhinaus ist das Halbleiterbauelement gemäß F i g. 5 und 6 auch insofern vorteilhaft, als dann, wenn
sich Innen- und Außenelektrode und Halbleitersubstrat bei der betreffenden Wärmebehandlung oder im
Betrieb unterschiedlich ausdehnen, die beiden Elektroden miteinander zusammenwirken und eine Druckbeanspruchung
auf das Substrat ausüben, wodurch letzteres an einem Bruch infolge Biegung gehindert wird.
Außerdem wird dabei die Lötwirkung verbessert, was zu einer festen elektrischen Verbindung des Halbleiter-Substrats
mit den Elektroden führt. Weiterhin brauchen die Elektroden nicht aus Metall mit etwa dem
Ausdehnungskoeffizienten des verwendeten Halbleitermaterials entsprechendem Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu bestehen, vielmehr können sie aus beliebigen Metalien hergestellt werden, die in der o.g. Weise
andere Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Halbleitermaterial besitzen können.
Das Halbleiterelement braucht nicht, wie beschrieben,
eine Halbleiterdiode sein, sondern kann auch ein Transistor, Thyristor usw. sein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Halbleiterbauelement mit einem Substrat aus einem Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeitstyps
in Form eines Hohlzylinders mit vorbestimmtem Querschnittsprofil, mit mindestens
einer Halbleiterschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf der Außen- und/oder der
Innenumfangsfiäche des Substrats, die mit letzterem einen pn-Obergang in Form einer um die Längsachse
des Substrats herum gekrümmten Fläche bildet, und mit zwei Metall-Elektroden in ohmschen
Kontakt mit der Außen- bzw. der Innenumfangsfläche des Substrats bzw. der Halbleiterschicht,
dadurch gekennzeichnet, daß die an der Innenumfangsfläche des Substrats (10) bzw. der
Halbleiterschicht (14) angeordnete Elektrode (26, 26') aus Metall mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten
als dem des Halbleitermaterials des Substrats (10) besteht, und daß die auf der
Außenumfangsfläche des Substrats (10) bzw. der Halbleiterschicht (14) angeordnete Elektrode (22,
22') aus Metall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, welcher denjenigen des Halbleitermaterials
des Substrats (10) nicht übersteigt.
2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Innenumfangsfläche
des Substrats (10) bzw. der Halbleiterschicht (14) vorgesehene Elektrode (26) die Form eines Hohlzylinders
besitzt (F i g. 5).
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des pn-Übergangs an
einem Abschnitt (16) der Oberfläche des Substrats (10) freiliegt, der zu einer kegelstumpfförmigen
Fläche geformt ist.
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1974
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- 1974-02-27 DE DE2409395A patent/DE2409395C3/de not_active Expired
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Publication number | Publication date |
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DE2409395B2 (de) | 1979-09-20 |
DE2409395A1 (de) | 1974-09-12 |
US3925802A (en) | 1975-12-09 |
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