DE2516620A1

DE2516620A1 - Pin-diode

Info

Publication number: DE2516620A1
Application number: DE19752516620
Authority: DE
Inventors: Raymond Henry
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-04-16
Filing date: 1975-04-16
Publication date: 1975-10-30
Also published as: DE2516620B2; US3982267A; IT1035303B; FR2268355B1; DE2516620C3; FR2268355A1; GB1505124A

Description

7500B PARIS /Frankreich

Unser Zeichen: T 1756

PIN-Diode

Die Erfindung "betrifft PIN-Dioden und insbesondere Dioden dieses Typs, bei denen die eigenleitende Zone eine sehr große Dicke hat. Dies gilt beispielsweise für Dioden, die als veränderlicher Widerstand verwendet werden, sowie bei der Herstellung von Strahlschwenkungsantennen, bei denen die Betriebsspannungen hoch sind.

Die Fertigung von PIN-Dioden mit sehr großer Dicke des eigenleitenden Halbleiters wirft zahlreiche Probleme auf. Die herkömmlichen Verfahren zur Fertigung solcher Dioden verwenden entweder ein chemisches Ätzen oder ein gemischtes mechanisch-chemisches Verfahren zur Trennung der einzelnen Dioden von der Scheibe, auf der sie zuvor gebildet worden sind. Ferner muß nach dem Trennen der Dioden jede Diode einem erneuten chemischen Ätzen unterworfen werden, nachdem sie auf ihren Träger oder in ihrem Gehäuse montiert worden ist. Schließlich ist dann ein Lacküberzug notwendig,

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Lei/Gl

wenn man den ΡΕΓ-Übergang den Einwirkungen äußerer Einflüsse, beispielsweise der Feuchtigkeit, entziehen will. Diese Verfahren lassen sich nur schwierig anwenden, denn die Ätzgesehwindigkeit ist bei einem eigenleitenden Halbleiter sehr verschieden von der Itzgeschwindigkeit eines dotierten Halbleiters. Dies hat eine unregelmäßige seitliche Ätzung zur Folge, und das erhaltene Produkt weist nicht immer die im voraus berechneten Eigenschaften auf. Das chemische Ätzen ergibt auch gewisse andere Nachteile. Insbesondere wird dadurch der Ableitwiderstand des PN-Übergangs erhöht, der dann praktisch unendlich große Werte annehmen kann, was eine günstige Eigenschaft sein kann, in bestimmten Anwendungsfällen aber auch als Mangel anzusehen ist: Beispielsweise ergibt bei Schaltungen, die in Serie geschaltete Dioden enthalten, ein nahezu unendlich großer Ableitwiderstand eine unbekannte Verteilung der Vorspannungen an jeder Diode. Wenn eine Diode ausfällt, wird die ganze Spannung von der anderen Diode oder den anderen Dioden übernommen. Wie zuvor bereits hervorgehoben wurde, ergibt das chemische Ätzen auch eine beträchtliche Empfindlichkeit der Überfläche für äußere Einflüsse, beispielsweise die Feuchtigkeit. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es notwendig, die Diode mit einem Schutzlack zu überziehen. Dies ergibt jedoch leider oft die Erscheinung von eingeschlossenen Oberflächenladungen, die zu einer sehr geringen Schaltgeschwindigkeit führen können. Schließlich sind die chemischen Vorgänge oft schwierig zu kontrollieren und teuer. Bei zahlreichen Anwendungsfällen entsprechen Ableitwiderstände, die nach Unendlich gehen, oft einer technischen Forderung, doch sind sie nicht immer unbedingt notwendig, und ein weniger kostspieliges Verfahren zum Trennen der Dioden ist dann erwünscht, inabesondere dann, wenn das Verfahren Erzeugnisse liefert, bei denen der Wert des Ableitwiderstands kontrollierbar ist, und die

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ferner eine sehr geringe Empfindlichkeit für äußere Einflüsse aufweisen·

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung von PIN-Dioden, die eine verhältnismäßig dicke eigenleitende Zone haben ' können und dennoch mit einem verhältnismäßig billigen Verfahren in großen Stückzahlen gemeinsam hergestellt werden können.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Halbleiterplättchen eine Seitenfläche mit einem Rauhigkeit sgrad hat, welcher den Ableitwiderstand auf einen vorbestimmten Wert einstellt, der unter einigen 100 Megohm liegt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine Vorrichtung nach der Erfindung,

Pig. 2 eine Pigur zur Erläuterung des Verfahrens, mit dem die Vorrichtung von Pig. 1 erhalten wird,

Pig. 3 ein Schaltschema zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung von Pig. 1,

Pig. 4 ein weiteres Schaltschema zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung von Pig. 1 und

Pig. 5 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform.

Pig. 1 zeigt in absichtlich sehr vergrößertem Maßstab eine Diode nach der Erfindung. Sie enthält eine Zone 1 aus Halbleitermaterial mit sehr hohem spezifischem Widerstand von

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praktisch, eigenleitendem Typ mit zwei parallelen Flächen. Sine dieser Flächen trägt eine Schicht 2 aus Halbleitermaterial, das mit einem ersten Störstoff des Typs Ή oder P stark dotiert ist. Die entgegengesetzte Fläche trägt eine Schicht 3, die gleichfalls mit einem Störstoff stark dotiert ist, der vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der erste Störstoff ist. Die Zonen 2 und 3 sind praktisch gegeneinander austauschbar, weil die fertige Diode eine Symmetrieebene hat.

Die Zonen 2 und 3 sind mit einer Metallschicht 20 bzw. 30 bedeckt. Sine solche Diode hat die Form eines Plättchens mit zwei zueinander parallelen Flächen des Querschnitts S, das unter anderem eine eigenleitende Halbleiterschicht der Dicke W enthält. Sie ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche des Plättchens schnittroh ist und einen gegebenen Oberflächenzustand hat, der den Wert des Ableitwiderstands bestimmt. Der Querschnitt S kann eine beliebige Form haben (beispielsweise Quadrat, Rechteck oder Kreis). Bei dem in Fig. 1 dargestellten .Beispiel ist der Querschnitt quadratisch, und das Plättchen hat dann die Form eines Parallelepipeds, dessen Seitenflächen, wie die in Fig. 1 sichtbaren Flächen 10 und 11, schnittroh sind. Die Dicke W der eigenleitenden Schicht kann zwischen 70 und 250 Mikron schwanken. Es ist kein chemisches Ätzen notwendig, und eine einfache Reinigung der Oberfläche nach dem Schnitt genügt, um die Vorrichtung direkt verwendbar zu machen.

Zur Herstellung der beschriebenen Dioden kann man beispielsweise das in Fig. 2 dargestellte Fertigungsverfahren anwenden: Eine Scheibe 201 aus eigenleitendem Halbleitermaterial, deren Abmessung so groß ist, wie dies beim gegenwärtigen Stand der Technik möglich ist, wird an ihren beiden Flächen mit stark dotierten Schichten 21 und 22 des

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Leitungstyps P+ bzw. N+ bedeckt, und diese Schichten werden ihrerseits mit einer Metallschicht 200 bzw. 300 überzogen.

Die dadurch erhaltene Sandwichanordnung wird dann gemäß' dem in Pig. 2 dargestellten karierten Muster in einzelne Plättchen zerschnitten. Jedes dieser Plättchen hat bei dem beschriebenen Beispiel einen quadratischen Querschnitts, wie zuvor beschrieben wurde, und eine eigenleitende Zone der Dicke ¥. Die Seitenflächen sind schnittroh und ihr Oberflächenzustand wird durch die angewendete Schneidetechnik bestimmt.

Die Erfahrung zeigt, daß der Ableitwiderstand der Dioden eine genau bestimmte Punktion des Oberflächenzustands der Seitenflächen dieser Dioden ist: Im Grenzwert weisen Flächen, die einem chemischen Ätzvorgang unterworfen worden sind, wie dies bei den herkömmlichen Verfahren zur Massenherstellung von Dioden der Pail ist, sehr hohe Ableitwiderstände auf, die sogar praktisch unendlich groß •sind.

Dagegen sind bei der beschriebenen Diode die Seitenflächen schnittroh, und sie weisen einen Oberflächenzustand auf, der je nach der Art des Schnittes und der Einstellung der für das Schneiden verwendeten Maschine einen mehr oder weniger großen Grad von Mängeln oder Rauhigkeiten aufweist. Dieser Oberflächenzustand ist daher kontrollierbar, und demzufolge ist auch der Ableitwiderstand kontrollierbar, der mit diesem Oberflächenzustand verknüpft ist.

Es gibt gegenwärtig im Handel Maschinen, die diese Art von Schnitten nach Wunsch durchführen können. Man kennt insbesondere Maschinen mit diamantbesetzten Scheiben oder mit

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Drähten, die außerordentlich weit vervollkommnet sind, doch kann jedes Schneideverfahren angewendet werden, das zu dem angegebenen Ergebnis führt. So kann es sich beispielsweise um ein Schneiden mit Funkenerosion oder Ultraschall handeln, mit dem jeder beliebige Umriß er- · halten werden kann, oder auch um ein Schneiden mit Laserbündel usw.

Die auf diese Weise erhaltenen Dioden können Ableitwider stände haben, die Werte in der Größenordnung von einem Megohm oder von mehreren zehn Megohm erreichen können.

Fig. 3 zeigt das Ersatzschaltbild einer in der Sperrrichtung vorgespannten Diode der beschriebenen Art. Es enthält einen Widerstand R. parallel zu der Kapazität C. des HJ-Übergangs. Der Wert dieser Kapazität hängt von der Querschnittsflache S des PIT-Übergangs, von der Dielektrizitätskonstante c der eigenleitenden Schicht und von der Dicke W dieser Schicht ab und entspricht bei einer ausreichend großen Sperrspannung der Formel

Der Wert des Ableitwiderstand R.. kam jedem gewünschten Anwendungsfall angepaßt werden. Er muß jedoch sehr viel größer als 1/C .·ω bleiben (wobei ω die Betriebskreisfrequenz der Vorrichtung ist).

Das Ersatzschaltbild einer Serienschaltung von zwei Dioden ist in Fig. 4 dargestellt; diese Figur zeigt deutlich die kontrollierte Verteilung der Sperrspannung an den Klemmen der PU-Übergänge.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Diode besteht in folgendem: Wenn vor der endgültigen Montage der Diode in

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ihrem Gehäuse eine Messung der Änderung ihres Ableitwiderstands als Punktion der Temperaturerhöhung des ΡϊΓ-Übergangs durchgeführt wird, ist es dadurch leicht möglich, umgekehrt aus der Änderung des Ableitwiderstands der Diode im Betrieb die Temperatur des PN-Übergangs abzuleiten, was unmöglich wäre, wenn der Ableitwiderstand zu groß wäre.

Die Schnittrohrfläohe kann auf einen der beiden Übergänge PI oder Xu" beschränkt sein, während der andere Übergang dann chemisch geätzt und nach einem bekannten Verfahren (Siliciumdioxid, Glas, Lack) geschützt wird. In diesem Pail ist der Ableitwiderstand merklich höher, ohne jedoch den praktisch unendlich großen Wert des üblichen Palis zu erreiohen, daß die beiden Übergänge chemisch geätzt sind. Dieser Pail kann dem ersten Pail dann vorgezogen werden, wenn die Betriebstemperatur der Torrichtung hoch ist.

Es kann nämlich vorteilhaft sein, Halbleitervorrichtungen herzustellen, die Ableitwiderstände mit etwas höheren Werten haben, beispielsweise in der Größenordnung von einigen zehn bis einigen hundert Megohm. Dieses Ergebnis wird mit einer abgeänderten Ausführungsform der beschriebenen Diode erreicht. Bei dieser Ausführungsform, die in Pig. 5 dargestellt ist, werden die zuvor beschriebenen Techniken angewendet, die zu einem verhältnismäßig niedrigen Herstellungspreis führen, und sie ergibt einen zusätzlichen Vorteil: Das Vorhandensein eines passivierten Übergangs zwischen einer der stark dotierten Zonen und der eigenleitenden Zone. Schichten 2 und 3, die mit Störstoffen entgegengesetzten Leitungstyps stark dotiert sind, sind durch Diffusion oder epitaktisch auf die beiden Seiten eines eigenleitenden Halbleiterplättchens 1 aufgebracht. Mit Hilfe

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herkömmlicher Yerfahren zur Massenfertigung passivierter Mesa-Bioden führt man eine Mesa-Ätzung durch, die auf eine solche Tiefe begrenzt ist, daS die betreffende stark dotierte Halbleiterschicht (ins vorliegenden Pail die Schicht 2 des Ijeitungstyps Ϊ4-) durehgeätzt and die darunterliegende eigenleitende Schicht 3 auf eine geringe !Dicke angeätzt wird. Da dieses Itzen verhältnismäßig kurz ist und nur eine gringe Dicke des eigenleitenden Materials "betrifft, entstehen hier nicht die Probleme, die in Yerbindung mit den Nachteilen des chemischen Ätzens von PIU-Dioden erläutert worden sind.

Die Planken des Hesa-Bereichs werden durch ein Passivierungsmaterial 33 geschützt. Die Torrichtung enthält außerdem Metallschichten 34 und 35.

Die fertige Diode hat also die anhand von Pig. 1 erläuterte Erscheinung, doch weist Sie außerdem, wie Pig. 5 zeigt, eine Zone auf, welGhe die Porra eines Mesas hat, dessen Planken sich über die ganze Dicke einer der stark dotierten Schichten erstrecken und sehr geringfügig in das unmittelbar darunterliegende eigenleitende Halbleiterplättchen eintreten. Die mit dem Passivierungsmaterial "bedeckten Planken des Hesas schließen sich an die Seitenflächen an, die, wie im Fall von Pig. 1, SGhnittroh sind. Die in Pig. 5 sichtbaren Seitenflächen sind die Plächen 40 und Die Passivierung wirkt mit den schnittrohen Seitenflächen zur Erzeugung eines Ahle it wider stands zusammen, der größer als hei der in Pig. 1 dargestellten Diode ist, aber dennoch sehr weit von den praktisch unendlich großen Werten entfernt ist, die hei den mit dem üblichen Pertigungsverfahren erhaltenen Mesa-Dioden auftreten.

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Die "beschriebenen Dioden eignen sich für zahlreiche Anwendungsfälle: Ganz allgemein immer dann, wenn die Dicke der eigenleitenden Zone verhältnismäßig groß Bein muß, wie es der Pail bei Dioden ist, die als veränderlicher Widerstand verwendet werden, oder bei Dioden, die für die Herstellung von Strahlschwenkungs-Antennen dienen. Die beschriebenen Dioden sind hinsichtlich des Wertes ihres Ableitwiderstandes und ihrer Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen, insbesondere der Feuchtigkeit, bemerkenswert.

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Claims

Patentansprüche

.)PIN-Diode mit einem eigenleitenden Halbleiterplättchen, das auf zwei einander entgegengesetzten Flächen eine erste bzw. eine zweite Halbleiterschicht trägt, von denen die erste Halbleiterschicht mit einem Störstoff eines gegebenen leitungstyps und die zweite Halbleiterschicht mit einem Störstoff des entgegengesetzten Leitungstyps stark dotiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen eine Seitenfläche mit einem Rauhigkeitsgrad hat, welcher den Ableitwiderstand auf einen vorbestimmten Wert einstellt, der unter einigen 100 Megohm liegt.
2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zone in Form eines Mesa-Abschnitts hat, dessen Außenteil der Außenfläche der ersten stark dotierten Schicht entspricht, deren Flanken sich über die ganze Dicke der ersten Schicht erstrecken und die sich sehr geringfügig in den direkt darunterliegenden Teil des eigenleitenden Halbleiterplättchens erstreckt, und daß die Flanken mit einem Passivierungsmaterial "bedecktsind und sich an die Seitenfläche anschließen, mit der sie zur Einstellung des Wertes des Ableitwiderstands zusammenwirken.
3. Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche schnittroh ist.
4. Diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf ihren beiden Außenflächen eine Metallisierung trägt.

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