DE2521848A1 - Hochspannungs-halbleiterdiode und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Hochspannungs-halbleiterdiode und verfahren zu ihrer herstellung

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Description

  • Hochspannungs-Halbleiterdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung Es sind Hochspannungs-Halbleiterdioden bekannt, die aus mehreren in Serie liegenden Teildioden bestehen (DT-GM 1 845 060).
  • Bei diesen bekannten Dioden werden die einzelnen Teildioden entweder mit Hilfe von Federn mechanisch gegeneinander gepresst oder miteinander verlötet.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Hochspannungs-Halbleiterdioden anzugeben, deren Herstellung einfach und billig ist, und bei denen sowohl das Gegeneinanderpressen als auch das sehr schwierig durchzuführende lunkerfreie Verlöten der Teildioden entfällt.
  • Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss die Diode aus einem einzigen, i Zonenübergänge (i- 2) aufweisenden Halbleiterkörper besteht, wobei alle Zonenübergänge k, für die k = 2 n, mit n = 1, 2 ... , i/2 für i : gerade Zahl 1, 2 ... , (i - 1)/2 für i = ungerade Zahl ist, elektrisch kurzgeschlossen sind.
  • Ueblicherweise ist i eine ungerade Zahl; und da jeder zweite PN-Uebergang kurzgeschlossen ist, ergibt sich für i = 3 eine Serienschaltung von 2 Dioden, für i = 5 eine Serienschaltung von 3 Dioden usw.
  • Einen besonders guten Kurzschluss ergeben P+ N+-Uebergänge, N+-UebergS2lge, wobei entweder der P+-Bereich ganz in der P-Zone und der N -Bereich teilweise in der P-Zone und teilweise in der angrenzenden N-Zone verläuft oder der N+ -Bereich ganz in der N-Zone und der P+-Bereich teilweise in der P-Zone und teilweise in der angrenzenden N-Zone verläuft.
  • Das Verfahren zur Herstellung derartiger Hochspannungs-Halbleiterdioden zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass auf einem Halbleiterkörper, der Störstellen eines erste Leitfähigkeitstyps enthält, eine Diffusionsmaske aufgebracht wird, die jeweils im Abstand D, Oeffnungen der Breite d aufweist, dass durch diese Oeffnungen Störstellen eines zweiten Leitfähigkeitstyps solange eindiffundiert werden, bis in dem Halbleiterkörper durchgehende Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps entstehen urddass dann die Zonenübergänge k durch eine elektrisch leitende Verbindung kurzgeschlossen werden.
  • Bei derartigen Bauelementen entsprechen demnach die nichtüberbrückten (PN-) Zonenübergänge den Teildioden herkömmlicher Hochspannungs-Halbleiterdioden. Der Abstand D und die Breite d müssen derart gewählt werden, dass für die gewünschte Sperrspannung dieser Teildioden und einer vorgegebenen Dotierungskonzentration der aneinandergrenzenden Zonen, kein Punch-through-Effekt auftritt (zur Berechnung der Sperrspannung als Funktion der Dotierungskonzentrationen vgl. z.B. DT-PS 1 250 561).
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen: Fig. 1 schematisch einen seitlichen Schnitt durch eine herkömmliche Hochspannungs-Diode mit miteinander verlöteten Teildioden, Fig. 2a bis 2d die verschiedenen Schritte des Verfahrens zur Herstellung der neuen Hochspannungs-Halbleiterd:Lode und Fig. 3a und 3b die verschiedenen Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Vielzahl derartiger Hochspannungs-Dioden.
  • In Fig. 1 ist mit 1 eine herkömmliche Hochspannungs-Diode bezeichnet, die aus drei Teildioden 2, 3 und 4 besteht. Die Teildioden 2 und 4 sind mit der Diode 3 derart verlötet, dass die resultierende Hochspannungsdiode eine NPNPNP-Struktur aufweist.
  • 2' und 3' bedeuten die jeweils lunkerfrei verlöteten metallisierten Enden der Teildioden 2, 3, 4. Der Anodenkontakt ist mit A, der Kathodenkontakt mit K gekennzeichnet.
  • Im Gegensatz zu diesen bekannten Hochspannungs-Dioden entfällt bei der Herstellung der neuen Hochspannungs-Halbleiterdioden das lunkerfreie Verlöten der Teildioden: Man geht hierzu beispielsweise von einer N-dotierten Si:Liziumscheibe 5 (Fig.-2a) aus. In diese Siliziumscheibe 5 wird dann durch die Oeffnungen 7 einer Diffusionsmaske 6 hindurch zur Erzeugung der P-Zonen, beispielsweise Aluminium eindiffundiert (Fig. 2b und 2c).
  • Ein derartiges Bauelement besitzt, sofern kein Punch-through-oder Break-down-Effekt auftritt, unabhängig davon, auf welcher der beiden Seitenflächen 9, 9' (Fig. 2c) ein positives oder negatives Potential angelegt wird, jeweils mindestens zwei PN-Uebergänge, die in Sperrichtung gepolt sind. Damit in einer Richtung Durchlasseigenschaften erhalten werden, müssen für diese Polarität die sperrenden PN-Uebergänge kurzgeschlossen werden. In Fig. 2d sind dieses die Zonenübergänge 15 und 16.
  • Als Kurzschluss kann entweder über den PN-Uebergängen 15, 16 ein Metallstreifen aufgebracht werden (womit jedoch häufig keine guten ohmschen Kontakte erzielt werden) oder es können nebeneinander flache P+- und N + -Diffus ionen mit einer Oberfldchenkonzentration von mindestens 1019 cm 3 vorgenommen werden (Fig. 2d). Diese P N+-Uebergänge stellen "Backward Dioden" dar, die bei Polung in Rückwärtsrichtung keine Sperrspannung aufnehmen können (vgl.: S.M. Sze: Physics of Semiconductor Devices; Wiley Interscience 1969; pp 193 - 197).
  • Für die Wirkungsweise der P N + -Uebergänge als Kurzschluss ist es hierbei ohne Bedeutung, ob der P + -Bereich ganz in der P-Zone und der N + -Bereich teilweise in der P-Zone und teilweise in der N-Zone liegt oder der N -Bereich ganz in der N-Zone und der P -Bereich teilweise in der P-Zone und teilweise in der N-Zone liegt.
  • Auch die Tatsache, dass sich die P+ - und N+ -Bereiche nicht durch die ganze Dicke der Halbleiterscheibe erstrecken hat sich bei den benötigten Durchlassströmen von etwa 30 mA nicht als nachteilig erwiesen.
  • Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung von derartigen Hochspannungs-Halbleiterdioden mit Sperrspannungen von etwa 20 kV beschrieben: Als Ausgangsmaterial dient ein N-Siliziumkristall 5 (Fig. 2a) mit einer Grunddotierung von 6 ~ 1013 Störstellenatomen / cm3.
  • Auf diesen Kristall wird eine Diffusionsmaske 6 (Fig. 2b) aufgebracht, die jeweils in Abständen von D = 500 /um, 15 etwa d = 150 /um breite Oeffnungen 7 aufweist (die Oeffnunge am rechten Ende des Kristalls 5 in Fig. 2b können auch eine geringere Breite, z.B. 10 /um aufweisen). Zur Erzeugung der P-Zonen werden anschliessend beispielsweise Al-Störstellen eindiffundiert. Die Diffusionszeit als auch die Temperatur, bei der die Störstellen eindiffundieren, sind so bemessen, dass sich in der Mitte der Halbleiterscheibe unter den Oeffnungen 7 eine Störstellenkonzentration von mindestens 3 ~ 10 einstellt.
  • Von dem derart erhaltenen, mit P-Zonen versehenen Halbleiterkristall 5 wird die Aetzmaske 6 wieder entfernt und zur Dotierung der P+ - und N+ -Bereiche erneut mit einer lichtemfindlichen Fotolackschicht überzogen und diese Schicht durch Verwendung einer dem gewünschten Aetzmuster entsprechenden Fotomaske belichtet und anschliessend entwickelt. Die Breite dieser, für die nachfolgende P - bzw. N + -Dotierung bestirnjnten Oeffnungen soll zwischen 40 und 80 /um liegen (kleinere Oeffnungsbreiten erfordern eine aufwendigere Fotolacktechnik).
  • Als Dotierungssubstanz für den P+ -Bereich kann beispielsweise Bor und für den N + -Bereich beispielsweise Phosphor verwendet werden. Eindiffusionszeit und -temperatur werden so gewählt, dass die Eindringtiefen der P + - und N + -Bereiche zwischen 3 und 30 /um (vorzugsweise 15 /um) liegen und die Oberflächenkonzentrationen der Störstellen zwischen 3 ~ 1019 und 1021 cm 3 (vorzugsweise 1020 cm 3) betragen. Der P+ -Bereich liegt bei diesem Ausführungsbeispiel ganz in der P-Zone (vgl. Fig. 2d) und der N + -Bereich zur Hälfte in der P- und zur Hälfte in der N-Zone.
  • Mit der angegebenen Dimensionierung ergeben sich nach der Metallisierung der Endkontakte, die etwa je 0,5 mm dick sind, Hochspannungsdioden mit einer Gesamtlänge von etwa 8,5 mm.
  • Die Abstände der einzelnen Zonen und die Dotierungskonzentrationen sind so gewählt, dass es bei der gewünschten maximalen Sperrspannung von 20 kV zu keinem Punch-through-Effekt kommen kann.
  • Wenn die einzelnen Dioden bis zu ihrer Durchbruchspannung im Inneren, die bei der angegebenen Dimensionierung 2,6 kV beträgt, belastet werden sollen, so müsste dem Bauelement an allen Stellen, an denen PN-Uebergänge an die Oberfläche treten, eine bestimmte Kontur (z.B. eine Anschrägung) gegeben werden. Um diese verhältnismässig aufwendige Konturierung zu vermeiden, ist bei der obenangegebenen Dimensionierung vorgesehen, die Einzeldioden nur bis zu etwa der halben Volumendurchbruchspannung (20 kV / 15 = 1,33 kV) zu belasten.
  • Die maximale Feldstärke an der Oberfläche bleibt dann so gering (#zu 1,5 ~ 105 V/cm), dass dort kein zusätzlicher Sperrstrom hervorgerufen wird.
  • Fig. 3a zeigt eine Draufsicht auf eine mit N- und P-Zonen sowie mit N+- und P+ -Bereichen versehene Siliziumscheibe 10, aus der eine Vielzahl - im dargestellten Fall (Fig. 3b) sind es 14 - derartiger Hochspannungs-Halbleiterdioden hergestellt werden können. Die gesamte Siliziumscheibe 10 ist in diesem Fall in drei Abschnitte I, II, III eingeteilt (Fig. 3a).
  • Innerhalb des ersten und dritten Abschnittes liegt eine NP NP- und in den zweiten Abschnitt eine PN PN- Zonenfolge vor. In jedem Abschnitt sind jeweils 2 PN-Uebergänge mittels eines P+ N+ -Ueberganges kurzgeschlossen.
  • Die Abschnittsränder 11, 12, 13, 14 sind metallisiert (Fig. 3a) und dienen, nach Trennung der Streifen entlang der Metallisierung (vorzugsweise in der Mitte des Metällstreifens) und Auseinanderschneiden der Einzelelemente (Fig. 3b), als K.ontaktierung.

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    Hochspannungs-Halbleiterdiode, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode aus einem einzigen, i Zonenübergänge (i 2) aufweisenden Halbleiterkörper (5) besteht, wobei alle Zonenübergänge k, für die k = 2 n, mit n = 1, 2 ..., i/2 für i = gerade Zahl 1, 2 ..., (i-1)/2 für i = ungerade Zahl ist, elektrisch kurzgeschlossen sind.
  2. 2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kurzschluss ein P N -Uebergang verwendet wird, wobei entweder der P -Bereich ganz in der P-Zone und der N -Bereich teilweise in der P-Zone und teilweise in der angrenzenden N-Zone verläuft oder der N -Bereich ganz in der N-Zone und der P -Bereich teilweise in der P-Zone und teilweise in der angrenzenden N-Zone verläuft.
  3. 3. Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die N + - und P + -Störstellenkonzentration an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (5) 3.1019 - 1021 cm 3 beträgt.
  4. 4. Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die und uns N+-Bereiche in dem Halbleiterkörper (5) eine Tiefe von 3 - 30/um und an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (5) eine Breite von 40 - 80/um aufweisen.
  5. 5. Verfahren zur Herstellnng von Hochspannungs-Halbleiterdioden gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Halbleiterkörper (5), der Störstellen eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, eine Diffusionsmaske (6) aufgebracht wird, die jeweils im Abstand D Oeffnungen (7) der Breite d (Fig.2b) aufweist, dass durch diese Oeffnungen (7) Störstellen eines zweiten Leitfähigkeitstyps solange eindiffundiert werden, bis in dem Halbleiterkörper (5) durchgehende Zonen (8) des zweiten Leitfähigkeitstyps entstehen und dass dann die Zonenübergänge k durch eine ,Dlektrisch leitende Verbindung kurzgeschlossen werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die P-Dotierung entstehenden Teildioden alle etwa die gleiche maximale Sperrspannung aufweisen.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer Vielzahl von Hochspannungs-Halbleiterdioden (Fig.3) eine streifenförmige Diffusion der P-Zonen sowie der P + - und N + -Bereiche vorgenommen wird, dass an den Rändern bestimmter Abschnitte (I, II, III), innerhalb derer sich die gewünschte Zahl von PN-Uebergängen befindet, eine ebenfalls streifenförmige Metallisierung aufgebracht wird, dass dann die Halbleiter-Scheibc (10) entlang der Metallisierung zerlegt wird und schliesslich die Einzelhochspannungs-Dioden aus diesen Abschnitten (I, II,III) herausgetrennt werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterkörper (5) N-dotiertes Silizium verwendet wird.
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