DE2415218A1

DE2415218A1 - Halbleiterdiode

Info

Publication number: DE2415218A1
Application number: DE19742415218
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Rer Schlangenotto
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-03-29
Filing date: 1974-03-29
Publication date: 1975-10-02
Also published as: FR2266308B1; JPS50131773A; FR2266308A1

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H.

6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

Dr.Lertes/shw FBE 73/4-7

22.3.1974- =========

"Halbleiterdiode"

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode aus einem Halbleiterkörper mit einem durch Eindiffusion von Störstellen erzeugten pn-übergang sowie Kontakten an den Stromführungsflachen des Halbleiterkörpers.

Bei Leistungsgleichrichtern werden pn-Übergänge vorwiegend durch Eindiffusion von Störstellen hergestellt. Dabei wird in bekannter Weise eine sogenannte psn-Struktur dadurch hergestellt, daß in eine hochohmige Halbleiterscheibe bestimmten Leitungstyps Störstellen des entgegengesetzten Leitungstyps eindiffundiert werden. Eine konventionelle p⁺nn⁺-Struktur wird beispielsweise dadurch erhalten, daß in einen hochohmigen η-leitenden Silicium-Halbleiterkörper Akzeptoren durch Diffusion eingebracht werden, die p-leitende Zone von der einen Seite des Halbleiterkörpers abgetragen wird und schließlich auf beiden Seiten jeweils ein hochdotiertes Gebiet des gleichen Leitungstyps einlegiert wird.

Bei den bekannten Dioden wird häufig ein flaches Diffusionsprofil eingestellt. Dies führt dazu, daß bei guten Sperreigenschaften eine geringere Sperrverzugszeit beim Umpolen aus der Durchlaß- in die Sperrichtung gegenüber einem steilen Profil erzielt wird. Die "Verkleinerung der Sperrverzugszeit

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hängt damit zusammen, daß das flache Diffusionsprofil erheblich zur Sperrfähigkeit beiträgt, so daß für eine gegebene max. Sperrspannung eine dünnere Basis als bei einem abrupten Profil ausreicht. Bei höheren Durchlaßbelastungen jedoch wird der Bereich der Diode mit dem flachen Profil zu einem wesentlichen Teil mit Ladungsträgern überschwemmt. Dies führt zu einer Aufweitung der effektiven Basisdicke und somit bei gegebenem Strom zu einer erheblichen Vergrößerung der Durchlaßspannung. Die Durchlaßspannung wird zusätzlich noch dadurch erhöht, daß die Ladungsträgerlebensdauer in dem überschwemmten Bereich in der Regel kleiner als in der mittleren hochohmigen Zone des Gleichrichters ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Dicke des überschwemmten Bereichs wesentlich größer ist als die Ausdehnung der Raumladungszone bei der maximalen Sperrspannung (Durchbruchsspannung) .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Durchlaßverhalten der oben beschriebenen Halbleiterdiode zu verbessern, ohne ihre anderen Eigenschaften, insbesondere die maximale Sperrspannung, zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Konzentration der Störstellen von dem pn-übergang her auf der einen Seite zunächst nach Art eines durch Störstellendiffusion erzeugten flachen Dotierungsprofils zunimmt und anschließend steil ansteigt.

Die Dicke der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil wird vorteilhaft so bemessen, daß eine Grenze der Raumladungszone bei Spannungen unterhalb der Durchbruchsspannung innerhalb der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil verläuft. Eine zusätzliche Verbesserung des Durchlaßverhaltens wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, daß die Gesamtdicke" des die Zone mit dem flachen Dotierungsprofil enthaltenden Bereichs vom pn-übergang bis zu dem anschließenden Kontakt mindestens 20 % kleiner ist als der Abstand, den die pn-Übergangsflache von der ursprüng-

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liehen Oberfläche des Halbleiterkörpers entfernt liegt, über welche die Eindiffusion der Störstellen erfolgte.

Das Wesen der Erfindung soll anhand der beiden Figuren erläutert werden:

Fig.1 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration bei einer konventionellen Halbleiterdiode;

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration einer Halbleiterdiode gemäß der Erfindung.

Fig.1 zeigt einen ps ^-Gleichrichter, bei dem der pn-übergang durch Eindiffusion von Akzeptoren in einen hochohmigen η-leitenden Halbleiterkörper erzeugt ist. Wie üblich, werden das hochohmige η-leitende Mittelgebiet als Basis und das p-leitende und das hochdotierte η-leitende Gebiet als p- bzw. η-Emitter bezeichnet. Außer der diffundierten Zone gehört zu dem p-Gebiet eine noch höher dotierte, durch Legierung entstandene Zone. Das an den hochohmigen Bereich anschließende hochdotierte n⁺-Gebiet wird häufig durch Einlegieren von Störstellen erzeugt. Die angegebenen Maße sind für eine konventionelle Diode repräsentativ. Auf beiden Seiten des Halbleiterkörpers schließen sich nicht dargestellte Metallkontakte an. Bei hoher Durchlaßbelastung wird ein großer Teil des p-leitenden Bereichs mit Elektronen und Löchern überschwemmt (in Fig.1 strichpunktiert eingezeichnet). Die dadurch hervorgerufene Vergrößerung der effektiven Basisdicke führt zu einer Erhöhung der Durchlaßverluste.

Bei dem in Fig.2 dargestellten Gleichrichter gemäß der Erfindung ist zunächst von der pn-Übergangsfläche her ein flaches Diffusionsprofil zur Erhaltung der Sperrfähigkeit vorgesehen, wobei die Dicke des Bereichs mit dem flachen Diffusionsprofil sich zweckmäßig nach der Sperrschichtausdehnung in der bekannten Struktur nach Fig.1 bei der maximalen Sperrspannung richtet. Anschließend an den Bereich mit dem flachen Dotierungsprofil steigt die Konzentration einer schmalen

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Zone steil an. Wie sieb, aus einem Vergleich der Fig.1 und 2 ohne weiteres ergibt, ist durch die Maßnahme gemäß der Erfindung die Aufweitung der effektiven Basisdicke bei hohen Durchlaßströmen wesentlich kleiner als im bekannten Fall.

Eine weitere Verringerung der Durchlaßverluste läßt sich dadurch erzielen, daß die Dicke der p-leitenden Zone gegenüber der konventionellen Struktur stark vermindert wird. Auf diese Weise wird die Wärmeableitung des Bauelementes wesentlich günstiger.

Die Verbesserung der Wärmeableitung folgt daraus, daß der Metallboden durch die Verringerung der Emitterdicke näher an das Gebiet heranrückt, wo die Verlustwärme zum größten Teil entsteht, nämlich das Basisgebiet mit den angrenzenden schmalen Rändern der hochdotierten Gebiete. Der Metallboden aus Wolfram oder Molybdän und eventuell einer an das Silicium angrenzenden Zwischenschicht aus Silumin hat nämlich bessere Wärmeleitungs- und Wärmespeichereigenschaften als das Silicium. Für den Ausgleich einer durch den Stromfluß in der Siliciumscheibe erhöhten Temperatur ist die Thermo-Diffusivität Ή= IL maßgebend (E Wärmeleitfähigkeit, c spezifische Wärme, jDichte). Diese Größe für das Silicium und das Metall bestimmt die örtliche Temperaturverteilung für die verschiedenen Seiten. Aus der Temperaturverteilung ergibt sich dann die aus dem Basisgebiet (und benachbarten schmalen Händern der hochdotierten Gebiete) in Richtung Bodenplatte abgeflossene Wärmemenge , indem man die Temperaturerhöhung mit der spezifischen Wärme pro Volumen fc multipliziert und über p-Emitter und Bodenplatte integriert. Hierbei ist an kurzzeitige Belastungen gedacht, solange die an die Kupferwärmesenke des Gehäuses und nach außen abgegebene Wärme keine Rolle spielt. Diel£- und Pc-Werte für Silicium, Wolfram, Molybdän und Silumin sind für eine Temperatur von etwa 500⁰K, bei denen die Stößstrombelastungen im allgemeinen besonders kritisch sind, in der folgenden Tabelle zusammengestellt: .

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% cm /sec

cal/cm^{5 0}K

Si

0,33
0,46

0,53 0,65

Mo

0,47
0,66

Silumin

0,63 0,64

Wie man sieht, sind sowohl die H- als auch die ^c-Werte der benutzten Metalle größer als bei Silicium. Der Unterschied zwischen den £-Werten von Silicium und denen der Metalle nimmt mit der Temperatur zu. Wird nun eine Siliciumschicht von z.B. 90 /um Dicke entfernt und rückt dafür die Bodenplatte aus Silumin und Wolfram (oder Molybdän) nach, so geht

1; wegen des größeren <i;-Wertes der Temperaturausgleich schneller vor sich,

2. ist bei gegebener Temperaturerhöhung wegen des größeren ^c-Wertes die Wärmeaufnahme in dem Bereich des Metalls größer, wo vorher das Silicium war.

Die so verbesserte Wärmeableitung ist für starke kurze Belastungen von Bedeutung, bei denen sich die Temperatur stark erhöht und solange an der Wärmeleitung nur ein kleiner Bereich an der Bodenplatte teilnimmt, dessen Dicke noch nicht groß ist gegen den Betrag, um den die Emitterdicke verkleinert wird. Die Verkleinerung der Emitterdicke führt aus diesen Gründen zu einer Verbesserung der Stoßstromfestigkeit. Die Wärmeableitung unter Dauerbelastung, bei der es auf den stationären Wärmewiderstand ankommt und bei der die Kupferwärmesenke des Gehäuses eine große Solle spielt, wird weniger verbessert.

Zur Herstellung einer Halbleiterdiode gemäß der Erfindung werden zunächst Störstellen entgegengesetzten leitungstyps in eine hochohmige Halbleiterscheibe eingebracht. Anschließend wird die diffundierte Schicht auf der einen Seite des Halbleiterkörpers bis zu einer bestimmten Tiefe abgetragen und durch Einlegieren der gleichen Störstellenart eine hoch-

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dotierte Zone gebildet, wobei sich ein Verlauf der Störstellenkonzentration einstellt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Zone mit hoher Störstellendichte kann aber auch durch Epitaxie oder eine kurzzeitige zweite Diffusion erhalten
werden. Die Fertigstellung der Diode auf der gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers wird wie üblich vollzogen.

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Claims

_ Π —

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Patentansprüche

ι1.] Halbleiterdiode aus einem Halbleiterkörper mit einem durch Eindiffusion von Störstellen erzeugten pn-übergang sowie Eontakten an den Stromführungsflächen des Halbleiterkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Störstellen von dem pn-übergang her auf der einen Seite zunächst nach Art eines durch Störstellendiffusion erzeugten, flachen Dotierungsprofils zunimmt und anschließend steil ansteigt.
2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil so bemessen ist, daß eine Grenze der Raumladungszone
innerhalb der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil verläuft.
3. Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke des die Zone mit dem flachen Diffusionsprofil enthaltenden Bereichs vom pn-übergang bis zu dem anschließenden Kontakt mindestens 20 % kleiner ist als der Abstand, den die-pn-Übergangsflache von der ursprünglichen Oberfläche des Halbleiterkörpers entfernt liegt, über welche die Eindiffusion der Störstellen erfolgte.
4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterdiode nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst durch Eindiffusion von Störstellen ein flaches Störstellenprofil auf der einen Seite der pn-Übergangsflache erzeugt wird, das auf dieser Seite der diffundierten Zone des Halbleiterkörpers soweit abgetragen und anschließend Störstellenmaterial des gleichen Leitungstyps derart einlegiert wird, daß die Zone mit dem steilen

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Störstellengraaienten in einem gewünschten Abstand von der pn-Übergangsfläche liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone mit dem steilen Storstellengradienten durch Epitaxie oder eine kurzzeitige Eindiffusion von Störstellen gebildet wird.

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