DE2516620C3

DE2516620C3 - Verfahren zum Herstellen von PIN-Dioden

Info

Publication number: DE2516620C3
Application number: DE2516620A
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: 1979-01-18
Also published as: DE2516620A1; FR2268355A1; US3982267A; FR2268355B1; DE2516620B2; IT1035303B; GB1505124A

Description

Die Erfindung bezieh! sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Ein Verfahren dieser Art ist aus t.em Buch »Transistor Technology«, Volume III, herausgegeben von F. ]. Biondi, Verlag D. van Nostrand Company, Inc., Princeton N. JTToronto/London/New York, 1958, Seiten 245 bis 254 bekannt. Für die Unterteilung der Halbleiterscheiben ist außer chemischen und elektrischen Verfahren eine mechanische Unterteilung durch Zersägen oder durch Brechen entlang Vorzugsrichtung angegeben; bei einer mechanischen Unterteilung wird nach der Unterteilung jede einzelne Diode chemisch geätzt, damit die entstandenen mechanischen Unregelmäßigkeiten beseitigt werden.

Die praktische Anwendung dieses bekannten Verfahrens bei einer industriellen Massenfertigung ergibt beträchtliche Schwierigkeiten. Die Ätzgeschwindigkeit ist bei einem eigenleitenden Halbleiter nämlich sehr verschieden von der Ätzgeschwindigkeit 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 Anwcndungsfällen aber auch als Mangel anzusehen ist: Beispielsweise ergibt bei Schaltungen, die in Serie geschaltete Dioden enthalten, ein nahezu unendlich großer Ableitwiderstdand 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. Diese Schwierigkeiten sind um so größer, je dicker die eigenleitende Zone der PIN-Dioden ist. Wie zuvor bereits hervorgehoben wurde, ergibt das chemische Ätzen auch eine beträchtliche Empfindlichkeit der Oberfläche 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 Schallgeschwindigkeit führen

in können. Schließlich sind die chemischen Vorgänge oft schwierig zu kontrollieren und teuer. Bei zahlreichen Anwendungsfällen sind Ableitwiderstände, die nach Unendlich gehen, keineswegs erforderlich, während die zuvor angegebenen nachteiligen Erscheinungen nicht in

ι "> Kauf genommen werden können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines für die industrielle Massenfertigung geeigneten einfachen und billigen Verfahrens, mit dem PIN-Dioden mit kontrollierbarem und gut reproduzierbarem Ableitwiderstand

2<) auch bei verhältnismäßig großer Dicke der eigenleitenden Zone hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein sehr

2") gut reproduzierbarer Ableitwiderstand, der einerseits niedrig genug ist, um die zuvor angegebenen Nachteile zu vermeiden, und andererseits groß genug ist, um im Betrieb nicht zu stören, dadurch erhalten werden kann, daß die mechanische Unterteilung durch einen Schnei-

iip devorgang erfolgt und die Schnittflächen schnittroh gelassen werden.

Damit ist die gestellte Aufgabe in vollkommener Weise gelöst: Einerseits ist das Herstellungsverfahren wesentlich vereinfacht, weil sowohl die chemische

Γι Ätzung als auch die zusätzlichen Maßnahmen entfallen, mit denen die nachteiligen Auswirkungen der großen Ableitwiderstände beseitigt werden müssen, und andererseits werden bei beliebig großen Stückzahlen sehr gut reproduzierbare Ableitwiderstände erhalten, die für

■hi ein gewähltes Schneideverfahret., in einem engen Toleranzbereich liegen.

Durch die Erfahrung wird bestätigt, daß schnittrohe Seitenflächen einer PIN-Diode, die mit einem definierten Schneideverfahren erhalten worden sind, einen in

•41 einem engen Toleranzbereich liegenden reproduzierbaren Ableitwiderstand haben. So wurde festgestellt, daß durch Zersägen mit Draht unter Anwendung von Aluminiumoxid-Blei-Pulver bei gegebener Konfiguration der PIN-Diode eine Schnittfläche erhalten wurde,

"ι" die einen Ableitwiderstand zwischen 0,5 und I Megohm ergab. Durch Zersägen mit einer diamantbesetzten Scheibe wurde im gleichen Fall eine Schnittfläche mit einem Ableitwiderstand zwischen 20 und 30 Megohm erhalten. Diese Ableitwiderstände sind nicht nur

Ti reproduzierbar, sondern auch vorherbestimmbar, da sie durch den Rauhigkeitsgrad der Schnittfläche bestimmt sind, der für ein gewähltes Schneideverfahren unter festgelegten Bedingungen stets gleich ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung bcispiels-

wi halber beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. I eine PIN-Diode, die nach der Erfindung hergestellt ist,

F i g. 2 eine Figur zur Erläuterung des Verfahrens mit dem die PIN-Diode von F i g. 1 erhalten wird,

h"> Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der PIN-Diode von Fig. I. Fig.4 ein Ersatzschaltbild von zwei in Reihe geschalteten PIN-Dioden zur Erläuterung der erzielten Wirkung und

Fig,5 eine Schnittansicht einer anderen Ausfuhrungsform einer PIN-Diode,

Fig, I zeigt in absichtlich sehr vergrößertem Maßstab eine PIN-Diode. Sie enthält eine Schicht 1 aus Halbleitermaterial mit sehr hohem spezifischem Widerstand von praktisch eigenleitendem Typ mit zwei parallelen Flächen. Eine dieser Flächen trägt eine Schicht 2 aus Halbleitermaterial, das mit einem ersten Störstoff stark dotiert ist, so daß sie den Leitungstyp P + hat. Die entgegengesetzte Fläche trägt eine Schicht 3, die gleichfalls mit einem Störstoff stark dotiert ist, so daß sie den Leitungstyp N + hat Die Schichten 2 und 3 sind praktisch gegeneinander austauschbar, weil die fertige Diode eine Symmetrieebene hat. Die Schichten 2 und 3 sind mit einer Metallschicht 20 bzw. 30 bedeckt, die als Anschlußelektroden dienen.

Eine solche Diode hat die Form eines Plättchens mit zwei zueinander parallelen Flächen des Querschnitts S, das unter anderem eine eigenleitende Halbleiterschicht der Dicke Wenthält. Die Besonderheit der dargestellten PIN-Diode besteht darin, daß die Seitenflächen des Piätlchens schnittroh sind und dadurch einen gegebenen Oberflächenzustand haben, der den Wert ies Ableitwiderstands bestimmt. Der Querschnitt S kann eine beliebige Form haben (beispielsweise Quadrat, Rechteck oder Kreis). Bei dem in F i g. 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 Wder eigenleitendcn Schicht 1 kann zwischen 70 und 250 Mikron schwanken. Es ist kein chemisches Ätzen notwendig, und eine einfache Reinigung der Oberfläche nach dem Schneiden genügt, um die PIN-Diode direkt verwendbar zu machen.

Zur Herstellung der beschriebenen Dioden kann man : beispielsweise das in F i g. 2 dargestellte Fertigungsverfahren anwenden: Eine Scheibe 1 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 a Schichten 2 und 3 des Leitungstyps P+ bzw. N + bedeckt, und diese Schichten werden ihrerseits mit einer Metallschicht 20 bzw. 30 überzogen.

Die dadurch erhaltene Sandwichanordnung wird dann gemäß dem in Fig.2 dargestellten karierten 4 Muster in einzelne Plättchen zerschnitten. Jedes dieser Plättchen hat bei dem beschriebenen Beispiel einen quadratischen Querschnitt 5, wie zuvor beschrieben wurde, und eine eigenleitendc Zone der Dicke W. Die Seitenflächen werden schnittroh gelassen, und ihr ~> Oberflächenzustand ist durch die angewendete Schneidetechnik bestimmt.

Die schnittrohen Seitenflächen 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 Mangeln oder Rauhigkeiten aufweist. Dieser Oberflächenzustand ist kontrollierbar, und demzufolge ist auch der Abieilwiderstand kontrollierbar, der mit diesem Oberflächenzustand verknüpft ist. h

Es gibt gegenwärtig im Handel Maschinen, die diese Art von Schnitten nach Wunsch durchführen können. Man kennt insbesondere Maschinen mit diamantbesetzten Scheiben oder mit Drähten, die außerordentlich weit vervollkommnet sind, doch kann jedes Schneicleverfah- t> ren 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 erhalten werden kann, oder auch um ein Schneiden mit Laserbündel usw.

Die auf diese Weise erhaltenen Dioden können Ableitwiaerstände haben, die Werte in der Größenord-Ί nung von einem Megohm oder von mehreren zehn Megohm erreichen können.

Fig.3 zeigt das Ersatzschaltbild einer in der Sperrichtung vorgespannten Diode der beschriebenen Art. Es enthält einen Widerstand Rj parallel zu der

in Kapazität Q des PN-Übergangs. Der Wert dieser Kapazität hängt von der Querschnittsfläche S des PN-Übergangs, von der Dielektrizitätskonstante ε der eigenleitenden Schicht und von der Dicke W dieser Schicht ab und entspricht bei einer ausreichend großen

r> Sperrspannung der Formel

¹ W

Der Wert des Ableitwiderstand Rj kann jedem

2(i gewünschten Anwendungsfall angepaßt werden. Er muß jedoch sehr viel größer als MC ■ 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 PN-Übergänge.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Diode besteht in folgendem: Wenn vor der endgültigen Montage der Diode in ihrem Gehäuse eine Messung der Änderung

ι· ihres Ableitwiderstands als Funktion Aqt Temperaturerhöhung des PN-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 unmög-

"> lieh wäre, wenn der Ableitwiderstand zu groß wäre.

Die schnittrohe Fläche kann auf einen der beiden Übergänge Pl oder IN beschränkt sein, während der andere Übergang dann chemisch geätzt und nach einem bekannten Verfahren (Siliciumdioxid, Glas, Lack)

ι geschützt wird. In diesem Fall ist der Ableitwiderstand merklich höher, ohne jedoch den praktisch unendlich gr<;3en Wert des üblichen Falls zu erreichen, daß die beiden Übergänge chemisch geätzt sind. Dieser Fall kann dem ersten Fall dann vorgezogen wurden, wenn

"> die Betriebstemperatur der Vorrichtung hoch ist.

Es kann manchmal erwünscht sein, PIN-Dioden herzustellen, die Ableitwiderstände mit etwas höheren Werten haben, beispielsweise in de^r Größenordnung von einigen zehn bis einigen hundert Megohm. Dieses

ι Ergebnis wird mit einer abgeänderten Ausführungsform der beschriebenen Diode erreicht. Bei dieser Ausführungsform, die in F i g. 5 dargestellt ist, werden die zuvor beschriebenen Techniken angewendet, die zu einem verhältnismäßig niedrigen Herstellungspreis führen,

> und sie ergibt den zusätzlichen Vorteil des Vorhandenseins eines passivhrten Übergangs zwisciien einer der stark dotierten Schichten und der eigenleitenden Schicht. Zu diesem Zweck wird von einer PIN-Diode der in Fig. 1 dargestellten Art ausgegangen, welche i:*

ι der zuvor beschriebenen Weise hergestellt worden ist. Sie enthält also Schichten 2 und 3, die mit Störstoffen entgegengesetzten Leitungstyps stark dotiert t;nd durch Diffusion oder epitaktisch auf die beiden Seiten einer eigenleitenden Schicht 1 aufgebracht sind, und die auf

> die Schichten 2, 3 aufgebrachten Metallschichlen 20 bzw. 30. Nach einem der herkömmlichen Verfahren zur Massenfertigung passivierter Mesa-Diodcn führt man dann eine Mesa-Ätzung durch, die auf eine solche Tiefe

begrenzt ist, daß die betreffende stark dotierte Halbleiterschicht (im vorliegenden Fall die Schicht 2 des Leitungstyps P + ) durchgeätzt und die darunterliegende eigenleitende Schicht 1 auf eine geringe Dicke angeätzt wird. Da dieses Ätzen verhältnismäßig kurz ist und nur eine geringe Dicke des eigenleitenden Materials betrifft, entstehen hier nicht die Probleme, die in Verbindung mit den Nachteilen des chemischen Ätzens von PIN-Diodcn erläutert worden sind. Die Flanken des Mesa-Bereichs werden durch ein Passivierungsmaterial 33 geschützt.

Die fertige Diode hat also die anhand von Fig. 1 erläuterte Erscheinung, doch weist sie außerdem, wie I" i g. 5 zeigt, eine Zone auf, welche die Form eines Mesas hat, dessen Flanken sich über die ganze Dicke einer der stark dotierten Schichten erstreckenden und sehr geringfügig in das unmittelbar darunterliegende eigenlcitcnde Halblciterplättchen eintreten. Die mit dem Passivierungsmaterial bedeckten Flanken des Mesas schließen sich an die Seitenflächen an. die, wie im Fall von F i g. 1, schnittroh sind. Die in F i g. 5 sichtbaren Seitenflächen sind die Flächen 40 und 41. Die Passivierung wirkt mit den schnitlrohen Seitenflächen zur Erzeugung eines Ableitwidersf.ands zusammen, der ί größer als bei der in F i g. I dargestellten Diode ist, aber dennocli sehr weit von den praktisch unendlich großen Werten entfernt ist, die bei den mit dem üblichen Fertigungsverfahren erhaltenen Mesa-Dioden auftreten.

in Die beschriebenen Dioden eignen sich für zahlreiche Anwendungsfälle: Ganz allgemein immer dann, wenn die Dicke der eigcnleitenden Zone verhältnismäßig groß sein muß, wie es der Fall bei Dioden ist, die als veränderlicher Widerstand verwendet werden, oder bei > Dioden, die für die I lcrstcllung von Strahlschwcnkuiigs-Antennen dienen. Die beschriebenen Dioden sind hinsichtlich des Wertes ihres Ableitwidcrstandcs und ihrer Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen, insbesondere der Feuchtigkeit. h._ ri2rkcnswert.

llici/ii 2 UInIl /ciclimmm-n

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von PIN-Dioden, bei welchem auf den beiden Flächen einer Scheibe aus eigenleitendem Halbleitermaterial zwei stark dotierte Schichten von entgegengesetztem Leitungstyp gebildet werden und die Scheibe anschließend mechanisch in Halbleiterplättchen unterteilt wird, die jeweils eine PIN-Diode bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Unterteilen durch einen der Schnittfläche einen vorbestimmten Rauhigkeitsgrad erteilenden Schneidevorgang erfolgt, und daß die Seitenflächen der Halbleiterplättchen schnittroh belassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidevorgang so erfolgt, daß der erzielte Rauhigkeitsgrad einem Ableitwiderstand entspricht, der unter einigen 100 Megohm liegt

3. Verfanren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schneidevorgang eine der beiden stark dotierten Schichten zur Bildung einer Mesa-Struktur bis zu der darunterliegenden eigenleitenden Schicht geätzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Ätzung erhaltenen Flanken der Mesa-Struktur passiviert werden.