DE2523307A1 - Halbleiter-bauelemente mit verbesserter lebensdauer - Google Patents
Halbleiter-bauelemente mit verbesserter lebensdauerInfo
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Description
26. Mai 1975 WK./es./he.
3593-RD-7256
GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road Schenectady, N.Y., U.S.A.
Halbleiter-Bauelemente mit verbesserter Lebensdauer
Die Erfindung betrifft Leistungs-Halbleiter-Bauelemente und insbesondere
die Steuerung der Lebensdauer bezüglich der Ladungsrekombination und der Sperrung derselben und Verfahren zur Herstellung
der Steuereinrichtung
Zur Verringerung der Sperrzeit und damit eines Zeitverlustes bei der Umschaltung werden gegenwärtig in Halbleiter-Leistungsgleichrichtern
und Halbleiter-Leistungsthyristoren Verunreinigungen (Materialien zur Bildung von Störstellen) (deeplevel impurities),
beispielsweise Gold, Platin, Silber, Kupfer u.a. in die Halbleiter
und die Thyristoren tief eingebracht. Vorbekannte Herstellungs-
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verfahren beinhalten einfache oder doppelte Diffusionsverfahren,
um die gewünschten Endergebnisse zu erhalten. Die Diffusionsverfahren
sind jedoch nicht selektiv und daher werden die tief eingebrachten Störstellenmaterialien praktisch überall in das
Halbleitermaterial eingebracht aus dem der Gleichrichter oder Thyristor besteht. Daher besitzen die Leistungsgleichrichter oder
Leistuhgsthvristoren übermäßig große Leckströme, welche die Nennwerte
für die Spannung und die Temperatur nachteilig beeinflussen. Weiterhin besteht bei dem tiefen Einbringen von Störstellenmaterialien
in ein in geeigneter Weise dotiertes Halbleitermaterial eine Neigung zur Abscheidung des tief eingebrachten
Störstellenmetalls an den Grenzflächen von irgendwelchen in geeigneter Weise dotierten Zonen, beispielsweise von mit Phosphor
dotierten Zonen, und dies bewirkt eine Abreicherung in anderen dotierten Zonen, beispielsweise einer mit Bor dotierten Zone.
Solche Abscheidungen bewirken, daß an diesen Grenzflächen ein übermäßig großer Leckstrom auftritt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung; neuartige und verbesserte
Halbleiterelemente, beispielsweise Leistungsgleichrichter und Leistungsthyristoren, zu schaffen, welche die Nachteile der
vorbekannten Halbleiterelemente überwinden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein neuartiges
und verbessertes Halbleiterelement einen Körper aus Halbleitermaterial mit zwei gegenüberstehenden Hauptoberflächen. Die beiden
gegenüberliegenden Hauptoberflächen bilden die obere bzw.
untere Oberfläche des Körpers. Der Körper besitzt mindestens zwei aneinander grenzende Zonen mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp.
Eine der Zonen besitzt eine Oberfläche koextensiv mit der oberen Oberfläche und eine andere Zone besitzt eine Oberfläche
koextensiv mit der unteren Oberfläche des Körpers. Eine P-N-Übergangszone wird durch die aneinander liegenden Oberflächen
jedes Paars von Zonen mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp gebildet. Jede dieser P-N-tJbergangszonen besitzt
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einen Teil, der praktisch parallel zu der oberen und unteren
Oberfläche ist. Mindestens eine gerichtet erstarrte Zone aus rekristallisiertem Halbleitermaterial des Körpers ist in dem
Körper gebildet und erstreckt sich in dem Körper über eine vorgegebene Strecke von einer der beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen
aus. Das Material dieser gerichtet erstarrten Zone ist mit einer tief eingebrachten Verunreinigung dotiert, beispielsweise
mit Gold, Platin, Silber, Kupfer u.a.. um Rekombinationszentren für freie Ladungsträger im Innern des Körpers zu erhalten,
Die rekristallisierte Zone kann sich durch den gesamten Körper,
über alle P-N-Übergangszonen oder nur über einige ausgewählte
der vorhandenen P-N-Übergangszonen erstrecken.
Vorzugsweise wird ein Zonenschmelzverfahren mit Temperaturgradient
zur Herstellung der gerichtet erstarrten Zonen ausgeführt.
Das Material einer oder mehrerer auf diese Weise hergestellter Zonen ist rekristallisiertes Halbleitermaterial des Körpers
und besitzt eine feste Löslichkeit für das tief eingebrachte Störstellenmaterial.
Figuren 1 bis f> zeigen Schnittansichten eines Körpers eines
Einkristallhalbleitermaterials bei seiner Bearbeitung gemäß der Lehre der Erfindung.
Figur 6
ist eine Schnittansicht eines Halbleitermaterials, das eine Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Figur 7
ist eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform des Bauelementes nach Figur 6.
Figuren ft und 9 sind Schnittansichten weiterer Halbleiterelemente
als Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figur 1 zeigt einen Körper 10 aus einem Halbleitermaterial mit einem ausgewählten spezifischen Widerstand und einem ersten
Leitfähigkeitstyp. Der Körper 10 besitzt gegenüberliegende Hauptoberflächen 12 und 14, welche die obere bzw. untere Oberfläche
bilden. Das Halbleitermaterial des Körpers 10 kann Silizium, Germanium, SiIiziumcarbid. Galliumarsenid, eine Verbindung
eines Elementes der Gruppe II und eines Elementes der Gruppe VI und eine Verbindung eines Elementes der Gruppe III
und eines Elementes der Gruppe V sein. Der Körper 10 wird gemäß den bekannten Verfahren bearbeitet, beispielsweise durch
ein epitaxiales Aufwachsverfahren, um Leistungsgleichrachter,
Leistungsthvristoren mit oder ohne kurzgeschlossenem Emitter, bilaterale Leistungsschalter und dergleichen zu erzeugen. Die
Herstellung solcher Leistungs-Bauelemente ist an sich bekannt und bildet keinen Bestandteil der Erfindung. Zur näheren Beschreibung
der Erfindung wird angenommen, daß der Körper 10 aus Halbleitermaterial aus Silizium besteht und gemäß einem der
vorbekannten Verfahren zur Erzeugung eines Leistungselementes verarbeitet wird, um beispielsweise einen Leistungsgleichrichter
herzustellen, der eine erste Zone 16 des Leitfähigkeitstyps
p, eine zweite Zone IR des Leitfähigkeitstvps η und
eine dritte Zone des Leitfähigkeitstyps η enthält. Eine P-N-Grenzschicht 22 wird durch die aneinanderliegenden Oberflächen
der Zonen 16 und 17 mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp gebildet.
Nach Beendigung der Herstellung dieser Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps des Leistungselementes wird der Körper 10
mechanisch poliert, chemisch geätzt, um jegliche beschädigte Oberflächen zu beseitigen, in entsalztem Wasser gespült und
an Luft getrocknet. Auf der Oberfläche des Körpers 10 wird dann eine säurebeständige Maske oder Abdeckung aufgebracht.
Vorzugsweise besteht die Maske 24 aus Siliziumoxyd, das entweder
thermisch aufgewachsen oder auf der Oberfläche durch irgendein bekanntes Verfahren aufgebracht wird. Unter Verwendung
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der bekannten photolitographischen Verfahren wird eine Schicht
aus einem durch Licht härtbaren Material (Photoresist) (photoresist material), beispielsweise dem Material "Kodak Metal Etch
Resist" auf der Oberfläche 27 der Siliziumoxydschicht 26 aufgebracht. Das Material der Schicht 26 wird durch Erhitzen bei .
einer Temperatur von etwa «O°C getrocknet.
Dann wird eine geeignete Maske zur Bildung einer oder mehrerer geometrischer Formen, beispielsweise einer Anordnung von Punkten,
einer Anordnung von konzentrischen Kreisen oder einer Anordnung von anderen konzentrischen Formen auf der Schicht 26 aus Photoresist
aufgebracht und mit ultraviolettem Licht belichtet. Nach
der Belichtung wird die Schicht ?6 aus Photoresist in Xylol gewaschen, um die Fenster 2«t der Maske 26 zu öffnen, so daß
die SiIiziumoxvdschicht 24 selektiv geätzt werden kann, um ausgewählte
Oberflächenbereiche der Oberfläche 12 des Körpers 10
im Innern der Fenster 30 der Oxydschicht 24 freilegen zu können.
Vorzugsweise ist das geometrische Muster eine Anordnung von Punkten,
die vorzugsweise auf den mittleren Bereich des Leistungsgleichrichters beschränkt sind. Um die Wirksamkeit der tief eingebrachten
Traps im Innern der Einrichtung zu vergrößern, ist es erwünscht, daß die Abmessung ,jeder gerichtet erstarrten Zone
des Störstellenmetalls zur Steuerung der Minoritätsträger den kleinstmöglichen Querschnitt besitzt, um auf diese Weise die
Zahl der Elementarzellen aus solchen Zonen innerhalb der Raumeinheit der Einrichtung auf ein Maximum zu bringen. Jede Zone
umfaßt rekristallisiertes Halbleitermaterial des Körpers 10, das eine feste Löslichkeit für mindestens eines der tief eingebrachten
Störstellenmetalle besitzt. Es wurde gefunden, daß jeder Punkt (Fleck) vorzugsweise einen Durchmesser von 10 Mikron
oder darunter besitzen sollte und daß die Punkte einen Mittenabstand von 15 Mikron oder darunter besitzen sollten. Eine solche
Anordnung erfüllt die erwünschte Forderung, daß die Zonen einen
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Abstand voneinander besitzen, der nicht größer als eine Diffusionslänge ist. Die Diffusionslänge wird dabei wie folgt definiert:
Die Diffusionslänge ist die mittlere Wegstrecke, welche Minoritätsträger
zwischen der Paarerzeugung und der Rekombination zurücklegen. Es ist weiterhin die Wegstrecke, die ein Minoritätsträger
wahrscheinlich zurücklegt, bevor eine Rekombination auftritt, wenn die Konzentration von Ladungsträgern niedrig ist. Bei hohen
Werten für die Injektion von Ladungsträgern ist die Diffusionslänge für die vorhandenen beiden Ladungsträgerarten entgegengesetzter
Polarität die Wegstrecke, welche die beiden Ladungsträger wahrscheinlich zurücklegen, bevor eine Rekombination auftritt.
In der vorstehend beschriebenen Anordnung ist auch noch eine äußere Scheibe (Ringbereich) des Gleichrichters vorgesehen,
welche einen Bereich von einer Diffusionslänge oder mehr zum
Rand hin erfaßt, der von tiefeingebrachten Traps(Rekombinationszentren) freigehalten wird. Daher werden die Oberflächenleckströme
und die Gesamt]eckströme am Rand der P~N-Grenzschicht 22 nicht durch das hier ausgeführte Verfahren vergrößert. Bei den
bevorzugten Ausführungsformen besitzt ein Leistungsgleichrichter
höhere Nennwerte für die Spannung und Temperatur für ein · schnellschaltendes Leistungs Bauelement, das den nach den vorbekannten
Verfahren hergestellten Einrichtungen überlegen ist. In Thyristorzonen für das Gitter (gate) und ein verstärkendes
Gitter (gate) können wahlweise Rekombinationsstellen eingebracht werden oder nicht, in Abhängigkeit von den Forderungen
an das Betriebsverhalten der Anordnung und von den konstruktiven Kompromissen.
Ein selektives Ätzen der Schicht 24 aus Siliziumoxyd wird mit einer gepufferten Fluorwasserstoffsäure-Lösung vorgenommen
(NH4F-HF). Das Ätzen wird solange fortgesetzt, bis der zweite
Satz Fenster 30 entsprechend den Fenstern 28 in der Maske 26 in der Siliziumoxydschicht 24 geöffnet ist und ausgewählte
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Teile der Oberfläche 12 des Körpers IO freiliegen. Der so bearbeitete
Körper IO wird in entsalztem Wnsser gereinigt und getrocknet.
Der übrige Teil der Photoresistmaske 26 wird durch Eintauchen in konzentrierte Schwefelsäure bei IRO0C oder durch Eintauchen
in eine Lösung,bestehend aus einem Teil Wasserstoffperoxyd
und einem Teil Schwefelsäure, unmittelbar nach Mischen
der beiden Teile entfernt.
Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 2, welche das selektive
Ätzen der freiliegenden Oberflächenbereiche des Körpers 10
mit einer gemischten Säurelösunp zeigt. Die gemischte Säurelösung besteht aus 10 Volumenteilen 70%-iger Salpetersäure, 4 Teilen
Essigsäure, 100%-ig, und einem Volumenteil 4R%-iger Fluorwasserstoffsäure. Bei einer Temperatur zwischen 2O und 3O°C ätzt
die gemischte Säurelösung selektiv Silizium an dem Körper 10 mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 Mikron pro Minute. In die
Oberfläche des Körpers wird unter ,iedem Fenster 30 der Oxydschicht
24 eine Vertiefung 32 eingeätzt. Die selektive Ätzung
wird so lange fortgesetzt, bis die Tiefe der Vertiefung 32 groß genug ist, um eine ausreichende Menge des Metalls zur Herstellung
eines gleichförmigen Querschnittes der eingewanderten Zonen einzubringen. Eine Ätzung während etwa 5 Minuten bei einer Temperatur
von 2F°C ergibt eine Vertiefung 32 mit einer Tiefe von 25 bis 30 Mikron für ein Fenster 30. Der geätzte Körper 10 wird in
destilliertem Wasser abgespült und trocken geblasen. Vorzugsweise ist für das Trocknen des verarbeiteten Körpers 10 ein
solches Gas wie beispielsweise Kryon, Argon und ähnliche geeignet.
Der bearbeitete Körper 10 wird in eine Metallaufdampfkammer eingebracht.
Eine Schicht 34 aus einem tiefeinzubringenden Störstellenmetall,
beispielsweise Gold, Platin, Silber u.a., wird auf ausgewählten Oberflächenbereichen der Oberfläche 12 hergestellt.
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Hierzu wird die Metallschicht 34 auf den übrigen Teilen der Schicht 24 aus Siliziumdioxvd und auf dem freigelegten Silizium
in den Vertiefungen 32 aufgebracht. Das Störstellenmetall in den Vertiefungen 32 bildet dabei Meta11 tropfchen, die durch
Wärmeeinwirkung in den Körper IO des Leistungselementes einwandern
sollen, um die gewünschte Beherrschung der Lebensdauer des Leistungselementes durch räumliche Mittel zu erhalten. Das Metall
der Schicht 34 kann auch ein solches Material wie beispielsweise Zinn enthalten, wenn man die Konzentration des in der Einrichtung
enthaltenen Störstellenmetalls zur Beherrschung der Lebensdauer begrenzen möchte. Die Dicke der Schicht 34 ist etwa
gleich der Tiefe der Vertiefungen 32, und in diesem Falle
wird eine Dicke von 10 Mikron bevorzugt. Vor dem Einwandern der Metalltröpfchen in den Vertiefungen 32 durch den Körper 10 aus
Silizium wird das überschüssige Metall der Schicht 34 von der Siliziumoxydschicht durch geeignete Mittel entfernt, beispielsweise
durch Abschmirgeln des überschüssigen Metalls mit einem Schmirgelpapier mit sehr feiner Körnung (600 Grit) oder durch
selektives chemisches Ätzen.
Es wurde gefunden, daß die Aufdampfung der Schicht des tief eingebrachten Störstellenmetalls bei einem Druck von etwa
5 . 10~l Torr ausgeführt werden sollte. Wenn der Druck größer
—5
als 5 . 10 Torr ist, dann dringt im Falle eines in die Vertiefungen
32 eingebrachten Metalls dieses nicht in das Silizium ein und wandert nicht durch den Körper. Es wird angenommen, daß
sich auf dem Siliziummateria 1 eine dünne Oxydschicht bildet,
die eine gute Benetzung der angrenzenden Oberflächen der Metallschicht mit dem Silizium verhindert. Die anfangs auftretende
Schmelze, welche das tief eingebrachte Störstellenmetall und Silizium enthält und für die thermische Wanderung erforderlich
ist, wird nicht erzielt wegen der Unfähigkeit der Eindiffusion von Goldatomen oder anderen Materialien in die Grenzfläche
zum Silizium. In ähnlicher Weise ist auch die Aufbringung
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eines tief einzubringenden Störstellenmetalls durch kathodische Zerstäubung nicht erwünscht, da bei diesem Verfahren das abgeschiedene
Metall anscheinend mit Sauerstoff gesättigt ist. Bevorzugt wird ein Verfahren zur Aufbringung des tief einzubringenden
Störstellenmetalls auf dem Siliziumkörper mit Elektronenstrahl-
und ähnlichen Verfahren, bei denen wenig oder gar kein Sauerstoff in dem aufgebrachten Metall eingefangen werden kann.
Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 3. Der vorbearbeitete
Körper 10 wird in eine nicht gezeigte Vorrichtung zur thermischen Wanderung eingesetzt. Dann läßt man die Metalltröpfchen
in den Vertiefungen 32 um eine vorbestimmte Wegstrecke in den Körper 10 durch ein Zonenschmelzverfahren mit Temperaturgradient
einwandern, um Bereiche 36 aus rekristallisiertem Material des
Körpers 10 zu bilden, die eine feste Löslichkeit für mindestens das tief eingebrachte Störstellenmetall besitzt. Ein thermischer
Gradient von etwa FO C pro cm zwischen der unteren Oberfläche 14, welche die heiße Fläche bildet, und der oberen Oberfläche 12,
welche die kalte Fläche bildet, wurde bei einer durchschnittlichen
Temperatur des Körpers 10 zwischen 400°C und 135O°C als
zweckmäßig befunden. Das Verfahren wird während einer solchen Zeitspanne durchgeführt, die ausreichend ist zum Einwandern der
Metalltröpfchen in den Körper 10 über die gewünschte vorgegebene
Wegstrecke. Beispielsweise benötigt man eine Zeit von 24 Stunden zur Einwanderung der Tröpfchen durch einen Siliziumkörper
mit einer Dicke von etwa 1 mm, wenn ,jedes der Meta 11 tropfchen
eine Dicke von etwa 20 Mikron besitzt, ein thermischer Gradient von F0°C/cm und eine Temperatur des Körpers 10 von 450 C vorhanden
ist.
Beim Erreichen einer vorgegebenen Wegstrecke in dem Körper 10,. ausgehend von der Oberfläche 12; wird der Temperaturgradient umgekehrt.
Man läßt die Meta 11tropfchen dann praktisch entlang
der gleichen Wegstrecke oder kristallographischen Achse bis zum
Erreichen der Oberfläche 12 wandern. Überschüssiges Metall wird
durch Schleifen oder durch selektive chemische ätzung entfernt.
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Die erhaltene Struktur ist sehr vorteilhaft dahingehend, daß das. tief eingebrachte Störstellenmaterial den Injektionswirkungsgrad
der P-N-Grenzschicht beeinflußt. Wenn daher die Zonen 36 in einer vorgegebenen Entfernung von der P-N-Grenzschicht
enden, dann besitzt der erhaltene Leistungsgleichrichter einen ausgezeichneten Injektionswirkungsgrad von der P-N-Grenzschicht.
Gleichzeitig wird der Leckstrom an der P-N-Grenzschicht für die Sperrung bei hoher Temperatur auf ein Minimum
gebracht. Das erhaltene Bauelement besitzt ausgezeichnete Sperrzeiten und eine gute Sperrfähigkeit bei hoher Temperatur
während des Betriebes.
Eine Erstarrung der Meta 11 tropfchen in dem Körper 10 sollte
nicht gestattet werden. Die Erstarrung der Tröpfchen in dem Körper IO kann starke innere Spannungen und sogar einen Bruch
des Materials verursachen, wodurch die physikalischen Eigenschaften
des Körpers 10 nachteilig beeinflußt werden. Dabei kann sogar ein vollständiger Defekt des Körpers 10 auftreten.
Es wurde gefunden, daß es bei einem Körper 10 aus Silizium, Germanium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid u.a. Halbleitermaterial
eine bevorzugte räumliche Gestalt des wandernden Metalltröpfchens gibt, die auch noch dazu führt, daß jede der erhaltenen
rekristallisierten Zonen 36 die gleiche Querschnittsform wie das wandernde Tröpfchen besitzt. Bei einer Ausrichtung der
thermischen Wanderung in Richtung der Kristallachse (111} wandert
des Tröpfchen in Form eines dreieckförmigei Blättchens,
das in einer Ebene (111) liegt. Das Blättchen wird an seinen Kanten durch Ebenen (112) begrenzt. Ein Tröpfchen, das eine
Kantenlänge von mehr als 0,10 cm besitzt, ist instabil und zerbricht während der Wanderung in mehrere Tröpfchen. Ein
Tröpfchen, das kleiner ist als 0,0010 cm, kann nicht in den Körper 10 wandern wegen eines Oberflächensperrschichtproblems.
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Das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeit des Tröpfchens zum aufgeprägten thermischen Gradienten ist eine Funktion der
Temperatur, bei welcher die thermische Wanderung des Tröpfchens ausgeführt wird. Bei hohen Temperaturen in der Größenordnung von
1050°c bis 14OO°C steigt die Wanderungsgeschwindigkeit des Tröpfchens
schnell mit Erhöhung der Temperatur an. Eine Geschwindigkeit von IO cm pro Tag oder 1,2 . 10 cm/Sek. kann für solche
Metalltröpfchen erzielt werden, die Aluminium und Silizium enthalten.
Die Wanderungsgeschwindigkeit des Tröpfchens wird auch noch durch das Tröpfchenvolumen beeinflußt. Die Wanderungsgeschwindigkeit
des Tröpfchens verringert sich mit einer Verringerung des Tröpfchenvolumens.
Ein Tröpfchen wandert unter Wärmeeinwirkung in der Richtung der Kristallaehse<100>
in Form einer Pyramide, die von vier vorderen (111)-Ebenen und einer rückwärtigen (100)-Ebene begrenzt
ist. Es ist eine sorgfältige Beherrschung des thermischen Gradienten und der Wanderungsgeschwindigkeit erforderlich. Im anderen
Falle kann die Zone 36 mit Knicken (twists) und Verwindungen (kinks) gebildet werden. Es tritt anscheinend eine ungleichförmige
Auflösung der vier vorderen (lll)-Facetten auf, wobei diese sich nicht immer mit der gleichen Geschwindigkeit auflösen.
Eine ungleichförmige Auflösung der vier vorderen (111)-Facetten kann bewirken, daß die Gestalt des Tröpfchens in Form
einer regulären Pyramide in eine trapezähnliche Form verzerrt wird.
Es wurde auch noch gefunden, da^ die thermische Wanderung von
Tröpfchen in eine Inertgasatmosphäre mit einem Überdruck ausgeführt werden kann, wobei der Körper aus Halbleitermaterial ein
dünnes Blättchen mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 0,2F mm (10 Tausendstel Zoll) besitzt.
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Alternativ können die Tröpfchen genial Figur 4 durch den gesamten
Körper 10 wandern, um Leistungsgleichrichter zu erzeugen,
bei denen keine so strengen Anforderungen an das Betriebsverhalten
gestellt werden, wie bei dem Bauelement nach Figur ?-.
Bei Beendigung des Zonenschmelzverfahrens mit Temperaturgradient
werden die Metalltröpfchen, die entweder teilweise in oder durch
den gesamten Körper IO zu den entsprechenden Oberflächen 12 und 14 gewandert sind, durch selektives Ätzen oder Schleifen
entfernt. Die thermische Wanderung des Metalltröpfchens in der Vertiefung 32 des Körpers erzeugt einen Körper 10 mit einer Anordnung
von säulenähnlichen Zonen 36 aus rekristallisiertem
Halbleitermaterial des Körpers 10, das diejenigen Metalle gelöst enthält, aus denen das Tröpfchen bestand. Jede Zone 36 besitzt
einen praktisch gleichförmigen Konzentrationspegel der
jeweiligen Störstellenmetalle in der gesamten gerichtet erstarrten
säulenförmigen Zone 36. Eine gewisse Schwankung der Konzentration tritt auf infolge der Art des angewendeten Verfahrens,
der Änderung der Zusammensetzung der Materialien, wie dies
leicht aus den zugehörigen Phssendiagrammen der entsprechenden
Materialien ersichtlich ist. Diese Schwankung ist jedoch sehr geringfügig und hat keine Folgen. Die Breite der Zonen 36 ist
über die gesamte Länge praktisch konstant. Die jeweiligen Endofcerflächen
der Zonen 36 sind koextensiv mit den entsprechenden oberen und unteren Oberflächen 12 und 14 des Körpers 10. Das
übrige Material des Körpers 10 umschließt die Zonen 36 und bildet den Hauptteil des Körpers 10 außerhalb dei Volumens, das
jetzt durch die Anordnung von gerichtet erstarrten rekristallierten
Zonen 36 eingenommen wird.
Der Halbleiterkörper 10 wird weiter bearbeitet durch Entfernen der Oxydschicht 24 und der übrigen Teile der Vertiefungen 33
durch mechanisches Schleifen und Polieren, um den verarbeitenden
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Körper 10 nach Figur F für das Bauelement nach Figur 4 zu erhalten,
wobei die obere Oberfläche und die entgegengesetzte untere Oberfläche glatt poliert und eben und praktisch parallel zueinander
sind. Das Leistungselement wird dann vervollständigt durch Anbringen der Elektroden 38 und 40 und entsprechende elektrisch
leitende Verbindungen mit den oberen und unteren Oberflächen des Bauelementes.
Das nunmehr fertiggestellte Bauelement besitzt überlegene Eigenschaften
bezüglich des Sperrens und des Temperaturverhaltens gegenüber vorbekannten Elementen. Die Vielzahl von säulenförmigen
Zonen ist ein ausgezeichnetes Mittel zur Steuerung der Lebensdauer von Minoritätsträgern in dem Bauelement. Das hier angewendete
Zonenschmelzverfahren mit Temperaturgradient ermöglicht eine Verteilung der säulenförmigen Bereiche durch die heißesten
Zonen des Elementes und damit die Zonen mit maximaler Stromdichte und mit der maximalen Dichte der freien Ladungsträger in
dem Element. Daher besitzt das erfindungsgemäße Bauelement eine
überlegene Sperrzeit und verbesserte Eigenschaften bezüglich
des Oberflächenleckstroms im Vergleich zu vorbekannten Bauelementen.
Das erfindungsgemäße Bauelement besitzt im Vergleich
zu vorbekannten Bauelementen verbesserte Nennwerte für die Spannung und für die Temperatur. Die Einführung eines die Lebensdauer
von Minoritätsträgern steuernden Materials durch das Verfahren
gemäß der Erfindung bewirkt praktisch keine Abscheidung des Materials an den Grenzen der Diffusionszonen, beispielsweise
von Phosphordiffusionszonen, und auch keine Verarmung anderer Bereiche, wie beispielsweise von Bordiffusionszonen.
Die säulenförmige Anordnung von Zonen ist so ausgelegt, daß man
eine Anordnung von Zonen mit einem Abstand von weniger als einer Diffusionslänge untereinander erhält. Es ist Nachdruck darauf
zu legen, daß die Diffusionslänge hier gemäß der in dieser
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Beschreibung gegebenen Definition zu verstehen ist. Die freien Ladungsträger zwischen den säulenförmigen Zonen können sich sehr
schnell in die Rekombinationszentren der rekristallisierten Zonen hinein bewegen. Daher arbeitet die Anordnung von säulenförmigen
Zonen praktisch wie eine gleichförmig dotierte Zone.
Die säulenförmige Anordnung der rekristallisierten Zonen und
der tief eingebrachten Störstellenmaterialien und das Verfahren
zur Herstellung derselben kann sehr gut angepaßt werden an die Beherrschung der Lebensdauer von Minoritätsträgern in solchen
Halbleiterelementen, bei denen untereinander benachbarte P-N-Grenzschichten und besonders solche, welche die Basisbreite
des Elementes definieren, einen Abstand von vorzugsweise oder mehr Mikron untereinander besitzen. Dieser Abstand wird
bevorzugt, da ein durch den Körper unter Wärmeeinwirkung v/ander ndesLegierungstropfchen das Material des Körpers an seinem
vorderen Ende auflöst und es am gleichen Ende des Tröpfchens ausscheidet. Wenn daher eine thermische Wanderung über eine
solche P-N-Grenzschicht erfolgt, dann wird derjenige Teil der P-N-Grenzschicht, welcher von den Tröpfchen durchquert wird,
um eine Wegstrecke in der gleichen Richtung wie die thermische Wanderung versetzt, und zwar bis zur Länge des Tröpfchens.
Vorzugsweise besitzt das Tröpfchen eine Länge von 10 Mikron oder darunter^ und die P-N Grenzschicht kann bis zu etwa 10 Mikron
oder weniger versetzt werden. Teile der P-N-Grenzschicht 22 des Bauelementes nach Figur 4, die versetzt sind, werden durch
die gestrichelte Linie 22 dargestellt. Diese Versetzung der P-N-Grenzschicht ist zulässig bei Leistungselementen mit
großem Querschnitt, bei denen die Nennwerte für die Leistung mit einer Toleranz von + 10$ des normalen Nennwertes der Leistung
angegeben werden.
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Figur 6 zeigt einen gesteuerten Halbleiter-Gleichrichter 110 als Ausführungsform der Erfindung. Das Bauelement 110 umfaßt
einen Körper 112 mit einem ersten Wert für die Lebensdauer der Minoritätsträger und besitzt obere und untere Oberflächen L14
und 116, die einander gegenüberliegen und praktisch parallel
zueinander sind. Vier Zonen HR, 120, 122 und 124 mit abwechselnd entgegengesetztem Leitfähigkeitstvp sind in dem Körper 112 gebildet.
Die P-N-Grenzschichten 126 128 und 130 werden durch die
aneinander^grenzenden Oberflächen eines jeweiligen Paars von Zonen
HR und 120, 120 und 122 und 122 und 124 mit entgegengesetztem
Leitfähigkeitstyp gebildet.
In dem Körper ist eine Anordnung von säulenförmigen Zonen 132 angeordnet, wobei jede Zone 132 praktisch senkrecht zu den oberen
und unteren Oberflächen 114 und 116 ist und diese Zonen praktisch parallel zueinander sind. Jede Zone 132 ist in der
gleichen Weise gebildet wie die Zonen 36 der Einrichtungen der Figuren 1 bis 4 und besitzt die gleiche Zusammensetzung des
Materials und die gleiche kristallographische Struktur, wie sie zuvor beschrieben wurde, um den Wert der Lebensdauer der
Minoritätsträger in dem Element 110 zu steuern. Der räumliche Abstand der Zonen 132 untereinander und ihr Abstand von dem
äußeren Umfang des Elementes 110 ist in der gleichen Weise gewählt, wie zuvor für die Bauelemente nach den Figuren 1 bis 4
beschrieben. Die elektrischen Kontakte 134, 136 und 13R werden an den entsprechenden Zonen 118 und 132, 120 und 124 angebracht
und sind elektrisch leitend mit diesen verbunden, so daß das Bauelement HO als gesteuerter Halbleiterschalter bei Anlegen
richtiger Vorspannungen arbeiten kann. Alternativ wird nötigenfalls gemäß der Abbildung in Figur 7 die Anordnung von säulenförmigen
Zonen 132 durch thermisches Einwandern von der unteren Oberfläche 116 über eine vorgegebene Wegstrecke in den Körper
hinein gebildet. Die Zonen 132 kreuzen die P-N-Grenzschichten
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und ragen in die Zone 122 hinein. Sie enden jedoch vor der P-N-Grenzschicht 12K. Die Betriebseigenschaften und Vorteile
für das Bauelement 140 sind die gleichen wie im Zusammenhang mit der Einrichtung nach Figur 3 beschrieben. Insbesondere ist
zu beachten, daß die Zonen 122 und 124 oft eine große Breite besitzen. Daher besitzt jede Verschiebung der P-N-Grenzschicht
während der Bildung der Zonen 132 nur einen unbedeutenden Einfluß auf das Betriebsverhalten der Einrichtung.
Figur S zeigt einen gesteuerten Halbleiter-Gleichrichter IFO
als alternative Ausführungsform des Schalters 110. Die mit den
gleichen Bezugsziffern bezeichneten Teile wie in der Beschreibung
des Schnlteis UO sind gleich und arbeiten in der gleichen Weise wie das vorstehend bezeichnete und beschriebene Teil.
Der Schalter IPO enthält einen grundsätzlichen Aufbau mit kurzgeschlossenem Emitter, wobei ein elektrischer Kontakt 152
gleichzeitig mit den Zonen 1.1« und 120 elektrisch leitend verbunden
ist. Es ist zu beachten, da^ die säulenförmigen Zonen
132 in einer solchen Weise angeordnet sind, daß sich diese nicht in dem kurzgeschlossenen Emitterbereich der Einrichtung
150 befinden.
Figur 0 zeigt einen bilateralen Schalter 2LO, der eine alternative
Ausführungsform zu den Schaltern 110 und IfO bildet. Die mit
den gleichen Bezugsziffern wie bei der Beschreibung der Schalter
110, IFO bezeichneten Teile sind gleich und arbeiten in
der gleichen Weise wie die vorstehend beschriebenen Teile. Der Unterschied bei diesem Schalter 210 gegenüber den Schaltern
110 und IFO besteht darin, daß ein elektrischer Kontakt gleichzeitig elektrisch leitend mit den Zonen 122, 124 verbunden
ist und einen Aufbau mit einem zweiten kurzgeschlossenen Emitter ergibt, welcher notwendig ist, um einen bilateralen
Schalter zu erhalten.
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Claims (1)
- Pa t e η t a nsprücheΐΛ Halbleiterelement mit einem Körper aus einem Einkristall-Halbleitermaterial mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen, welche die obere und untere Oberfläche desselben bilden, der noch mindestens zwei aneinandergrenzende Zonen aus abwechselnd entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp besitzt, wobei eine der Zonen eine Oberfläche koextensiv mit der oberen Oberfläche und eine weitere Zone eine Oberfläche koextensiv mit der unteren Oberfläche besitzt,eine P-N-Grenzschicht, die durch aneinanderliegende Oberflächen ,jedes Paars von Zonen mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp gebildet ist, wobei mindestens ein Teil der P-N-Grenzschicht parallel zu den beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen ist, gekennzeichnet durch :mindestens eine gerichtet erstarrte Zone (36) aus rekristallisiertem Halbleitermaterial des Körpers (10), die in dem Körper (10) gebildet ist und sich in diesen hinein um eine vorgegebene Wegstrecke von einer der gegenüberliegenden Hauptoberflächen (12, 14) aus erstreckt und ein tief eingebrachtes Störstellenmaterial enthält, das praktisch gleichförmig in der Zone (36) zur Bildung von Rekombinationszentren für freie Ladungsträger im Innern des Körpers (10) verteilt ist.2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Material der mindestens einen gerichtet erstarrten Zone (36) rekristallisiertes509850/0729Material des Körpers (10) mit einer festen Löslichkeit für mindestens ein Material ist, welches mindestens ein tief eingebrachtes Störstellenmetal] enthält.3. Halbleiterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von gerichtet erstarrten Zonen (36) eine Anordnung bilden, wobei jede Zone praktisch senkrecht zu den beiden gegenüberliegenden Oberflächen (12, 14) ist und die Zonen untereinander parallel sind.4. Halbleiterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Zonen (36) der Anordnungmindestens einen Abstand von einer Diffusionslänge von jedes
der benachbarten Zone (36)/rekristallisierten Materials der Anordnung besitzen.5. Halbleiterelement nach Anspruch 4, dadurch g e " kennzeichnet, daß das Störstellenmetall eines der Metalle Gold, Platin, Silber oder Kupfer ist.6. Halbleiterelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der äußere Rand der Anordnung einen Abstand von dem äußeren Rand des Körpers (10) von mehr als einer Diffusionslänge für Minoritätsträger besitzt.509850/07297. Halbleiterelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dnß die Zonen (36) der Anordnung mindestens eine P-N-Grenzschicht durchsetzen.derHalbleiterelement nach Anspruch 5, bei dem/Körper vier aneinander—grenzende Zonen mit abwechselnd entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp und drei P-N-Grenzschichten besitzt,mindestens ein Teil ,jeder P-N-Grenzschicht praktisch parallel zur oberen und unteren Oberfläche ist,die erste Zone in der zweiten Zone gebildet ist und ,jede der ersten und zweiten Zonen eine Hauptoberfläche koextensiv miteinander besitzt, welche die obere Oberfläche des Körpers bilden,wobei die Endteile der P-N-Grenzschicht durch die aneinandergrenzenden Oberflächen der ersten und zweiten Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp gebildet sind und in der oberen Oberfläche freiliegen, dadurch gekennzeichnet , daß die rekristallisierten Zonen (132) der Anordnung denjenigen Teil von mindestens einer der drei P-N-Grenzschichten (126. 12K, 130) durchsetzen, die praktisch parallel zur oberen und unteren Oberfläche (114, 116) ist.9. Halbleiterelement nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die rekristallisierten Zonen (132) der Anordnung die drei P-N-Grenzschichten (126, 12R, 130) durchsetzen, die praktisch parallel zur oberen und unteren Oberfläche (114, 116) sind.509850/072910. Halbleiterelement nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin ein erster elektrischer Kontakt (134) elektrisch leitend mit der ersten Zone (HR) und der Anordnung von rekristallisierten Zonen (132) verbunden ist,ein zweiter elektrischer Kontakt (136) elektrisch leitend mit der zweiten Zone (120) verbunden ist undein dritter elektrischer Kontakt (13R) elektrisch leitend mit der vierten Zone (124) und der Anordnung rekristallisierter Zonen (132) verbunden ist.11. Halbleiterelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält:einen ersten elektrischen Kontakt (152), der an der oberen Oberfläche (114) des Körpers und elektrisch leitend mit der Anordnung von rekristallisierten Zonen (132), der ersten Zone (HR), der zweiten Zone (120) und einem Teil der zwischen der ersten und der zweiten Zone gebildeten und in der oberen Oberfläche des Körpers freiliegenden Grenzschicht (126) verbunden ist undein zweiter elektrischer Kontakt (138) an der unteren Oberfläche (116) des Körpers elektrisch leitend mit der vierten Zone (124) und der Anordnung von rekristallisierten Zonen (132) verbunden ist.12. Halbleiterelement nach den Ansprüchen 4, R oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitermaterial Silizium ist und daß das Störstellenmetall Gold ist.509850/072913. Halbleiterelement nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Endteil der P-N-Grenzschicht (12R), welche zwischen der ersten (lift) und der zweiten Zone (120) gebildet ist, an der oberen Oberfläche (114) frei_Jiegt,nur ein Endteil der P-N-Grenzschicht (130), die zwischen der dritten (122) und vierten Zone (124) gebildet ist, an der unteren Oberfläche (116) frei_liegt, und die Anordnung weiterhin einen ersten elektrischen Kontakt (152) enthält, der an der oberen Oberfläche (114) des Körpers und elektrisch leitend mit der Anordnung von rekristallisierten Zonen (132), der ersten Zone (HfO, der zweiten Zone (120) und der zwischen der ersten und zweiten Zone gebildeten P-N-Grenzschicht (12R) verbunden ist, undein zweiter elektrischer Kontakt (212) an der unteren Oberfläche (116) des Körpers und elektrisch leitend mit der Anordnung der rekristallisierten Zonen (132), der dritten Zone (122), der vierten Zone (124) und der zwischen der dritten und der vierten Zone gebildeten P-N-Grenzschicht (130) verbunden ist.14. Halbleiterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der oberen und unteren Oberflächen (114, 116) des Körpers eine Gitterorientierung (111) besitzt und jede der rekristallisierten Zonen der Anordnung in Richtung einer der KristnHachsen *" 1117 und <100> des Körpers ausgerichtet ist.509850/0729Le e rs e i te
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1975
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- 1975-05-27 DE DE2523307A patent/DE2523307C2/de not_active Expired
- 1975-05-28 FR FR7516714A patent/FR2275887A1/fr active Granted
Patent Citations (2)
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Also Published As
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