DE2625856B2

DE2625856B2 -

Info

Publication number: DE2625856B2
Application number: DE2625856A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. Dr. 8041 Haimhausen Platzoeder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-06-09
Filing date: 1976-06-09
Publication date: 1979-08-02
Also published as: FR2354636A1; FR2354636B1; US4115798A; JPS52150985A; CA1088214A; DE2625856C3; DE2625856A1; GB1569938A

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dessen äußere anodenseitige Zone auf der ganzen Fläche mit einer Anodenelektrode bedeckt ist, mit Rekombinationszentren im Halbleiterkörper und mit mindestens einer die Rekombinationszentren getternden Schicht in der äußeren kathodenseitigen Zone, wobei anöden- und kathodenseitig ein Abfall der Konzentration der Rekombinationszentren zu einem Mittelgebiet hin auftritt und der Halbleiterkörper anodenseitig in Flächenelemente mit unterschiedlich hoher Konzentration an Rekombinationszentren aufge:- teilt ist.

Ein solches Halbleiterbauelement ist beispielsweise aus der DE-AS 14 89 087 bekanntgeworden. Der Halbleiterkörper eines solchen Thyristors weist vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps auf, wobei zwischen diesen Zonen je ein pn-Übergang liegt. Der zwischen äußerer und innerer anodenseitigen Zone liegende pn-Obergang wird als »Sperr-pn-Übergang« bezeichnet, da an ihm der größte Teil der Sperrspannung abfällt Der Halbleiterkörper einer Leistungsdiode hat im wesentlichen zwei Zonen von entgegengesetztem Leitungstyp. Die Halbleiterkörper solcher Halbleiterbauelemente weisen im allgemeinen einen gewissen Gehalt an Rekombinationszentren auf, durch deren Wirkung maßgebliche elektrische Eigenschaften, beispielsweise die Freiwerdezeit beeinflußt werden. Die genannten Rekombinationszentren sind meist Schwermetallatome wie Gold, Platin oder auch Mangan.

Die beim Herstellen der oben genannten Halbleiterbauelemente verwendeten Verfahren bringen es mit sich, daß ein gewisser Teil der eingebrachten Rekombinationszentren in oberflächennahen Bereichen gegettert wird. Als Getterschichten kommen beispielsweise hochdotierte Zonen, insbesondere durch Bor oder Phosphor dotierte, in Frage oder auch oberflächennahe Bereiche, deren Kristallaufbau durch mechanische Bearbeitung stark gestört ist Durch das Gettern verringt sich die Konzentration der Rekombinationszentren unterhalb der getternden oberflächennahen Schicht Sind sowohl anöden- als auch kathodenseitig gleichmäßig getternde Schichten vorhanden, so zeigt der Verlauf der Konzentration der Rekombinationszentren über die Dicke des Halbleiterkörpers ein U-förmiges symmetrisches Profil. Ist dagegen anodenseitig nur eine schwächere Getterwirkung, zum Beispiel durch eine geringere Störung der Oberfläche, als kathodenseitig vorhanden, so liegt die Konzentration der Rekombinationszentren anodenseitig höher als kathodenseitig.

Die absolute Höhe der Konzentration der Rekombinationszentren läßt sich durch die Menge der eindiffundierten Rekombinationszentren, zum Beispiel von Goldatomen, einstellen. Die Symmetrie des Profils der Konzentration der Rekombinationszentren kann jedoch praktisch weder durch Steuerung der Menge der Rekombinationszentren, noch durch Steuerung der Diffusionsparameter beim Eindiffundieren der Rekombinationsientren wirksam beeinflußt werden. Für manche Anwendungszwecke ist es jedoch erwünscht, diese Symmetrie zu beseitigen und einen definierten Gradienten der Konzentration der Rekombinationszentren im Mittelgebiet einzustellen. Unter »Mittelgebiet« wird dasjenige Gebiet im Halbleiterkörper verstanden, das zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Profils liegt.

Die Konzentration von Rekombinationszentren am Sperr-pn-Übergang eines Thyristors beziehungsweise am pn-Übergang einer Diode bestimmt beispielsweise wesentlich das Rückstromverhalten eines solchen Halbleiterbauelements. Durch Wahl des Gradienten der Konzentration der Rekombinationszentren im Mittelgebiet lassen sich Thyristoren herstellen, die bei vorgegebenem Durchlaßspannungsabfall entweder eine kleinere Freiwerdezeit oder ein günstiges Rückstromverhalten als Thyristoren mit symmetrischem Profil der Konzentration der Rekombinationszentren haben. Bei Dioden läßt sich bei vorgegebenem Durchlaßspannungsabfall ein günstigeres Rückstromverhalten als bei einer Diode mit symmetrischem Profil erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß ein Gradient der Konzentration der Rekombinationszentren definiert eingestellt werden kann, derart, daß die Konzentration

im Mittelgebiet anodenseitig höher als kathodenseitig ist

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der äußere anodenseitige Bereich des Mittelgebietes durch Einstellung des Verhältnisses der Flächenelemente so in die Flächenelemente aufgeteilt ist, daß im Mittelgebiet der anodenseitige Mittelwert der Konzentration der Rekombinationszentren höher als der kathodenseiiige Mittelwert ist

Damit kssn auf einfache V/eise durch Bemessung der Größe der Flächenelemente der gewünschte Gradient der mittleren Konzentration der Rekombinationszentren im Mittelgebiet definiert eingestellt werden.

Der oben erwähnten DE-AS 14 89 087 liegt zwar auch die Aufgabe zugrunde, die Herabsetzung der Freiwerdezeit zu erzielen, ohne die Durchlaßeigenschaft eines Thyristors zu verschlechtern. Es wird dazu vorgeschlagen, entweder nur kathodenseitig oder anöden- und kathodenseitig Rekombinationszentren einzubringen. Dabei wird die Oberfläche in Flächenelemente mit unterschiedlich hoher Konzentration an Rekombinationszentren aufgeteilt Dieser Vorveröffentlichung ist jedoch nicht zu entnehmen, daß im Mittelgebiet der anodenseitige Mittelwert der Konzentration der Rekombinationszentren höher als der kathodenseitige Mittelwert ist

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den F i g. 1 bis 5 im Vergleich mit dem Stand der Technik näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Halbleit.srkörpers eines Thyristors ohne zusätzliche anodenseitige Getterschichten,

F i g. 2 ein Diagramm mit der Konzentration der Rekombinationszentren Cr über die Dicke χ der Halbleiterkörper nach F i g. 1 und 3,

F i g. 3 den Schnitt durch einen Teil des Halbleiterkörpers eines ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung darstellenden Thyristors vor dem Anbringen der anodenseitigen Elektrode,

Fig.4 die anodenseitige Ansicht eines Ausschnittes des Halbleiterkörpers nach F i g. 3 und

F i g. 5 die anodenseitige Ansicht eines Ausschnittes eines Halbleiterkörpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Halbleiterkörper nach F i g. 1 weist vier Zonen 1, 2,3, 4 auf. Der Leitungstyp, von Zone 4 ausgehend, sei beispielsweise npnp. Die kathodenseitige Außenzone 4 und die anodenseitige Außenzone 3 wirken als Emitter und die an diese Außenzonen angrenzenden Zonen 1, 2 als Basis. Die Zone 4 ist mit nicht näher bezeichneten Durchbrüchen zur Verbesserung des du/dt-Verhaltens versehen und mit einer Kathodenelektrode 5 bedeckt und elektrisch verbunden. Die anodenseitige Außenzone 3 ist auf ihrer ganzen Fläche mit einer Anodenelektrode 6 bedeckt und mit dieser elektrisch verbunden. In den Halbleiterkörper sind Rekombinationszentren, zum Beispiel Gold, eindiffundiert worden. Auf Grund der üblicherweise hohen Dotierung der Außenzone 4 werden die Goldatome in der kathodenseitigen äußeren Schicht stark gegettert, so daß auf der Kathodenseite von außen her ein starker Abfall der Goldkonzentration auftritt. Hierbei wirken die Dotierstoffe der Zone 4, im vorliegenden Fall zum Beispiel Phosphor, als Getter. An der Außenseite der anodenseitigen Zone 3 ist die Getterwirkung im allgemeinen schwächer, so daß der in F i g. 2 dargestellte, mit Kurve 1 bezeichnete Verlauf der Konzentration an Rekombinationszentren auftritt. Es ist deutlich zu sehen, daß die Goldkonzentration am

pn-übergang zwischen den Zonen 2 und 3, dem Sperr-pn-Obergang, relativ hoch ist Das eingangs erwähnte Mittelgebiet des Konzentrationsprofils der Rekombinationszentren ist in F i %. 2 mit M bezeichnet Es liegt im wesentlichen zwischen dem kathoden- und anodenseitigen Steilabfall der Goldkonzentration.

Werden an der Außenseite der Zone 3 gleichstarke Getterschichten wie an der Außenseite der Kathode vorgesehen, so ergibt sich der mit 2 bezeichnete Verlauf der Goldkonzentration mit der Konzentration C₂ am Sperr-pn-Obergang. Zwischenwerte des Gradienten der mittleren Konzentration der Rekombinationszentren im Mittelgebiet konnten bisher in einfacher und reproduzierbarer Weise nicht eingestellt werden.

Die in Fig.2 dargestellten Konzentrationsverläufe können auch beim Halbleiterkörper einer Diode auftreten. Der Halbleiterkörper einer Diode unterscheidet sich von dem eines Thyristors im wesentlichen nur darin, daß bei diesem die Zone 4 nicht vorgesehen ist und die Zone 1 gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Zone 2 aufweist Zwischen den Zonen 2 und 3 liegt dann der pn-übergang der Diode.

Der Halbleiterkörper nach F i g. 3 ist mit gleichen Bezugszeichen wie der nach F i g. 1 versehen. Es handelt sich auch hier um einen Halbleiterkörper eines Thyristors. Bei diesem ist mindestens die äußere anodenseitige Zone 3 in Flächenelemente mit unterschiedlich hoher Konzentration der R.ekombinationszentren aufgeteilt Die Flächenelemente mit hoher Konzentration sind mit 8 und die Flächenelemente mit niedriger Konzentration mit 9 bezeichnet Die Flächenelemente 8, 9 haben definierte Flächen, deren Größenverhältnis den Gradienten des Mittelwertes der Konzentration, das heißt den gewünschten einzustellenden Konzentrationswert, der Rekombinationszentren am und in der Nähe des Sperr-pn-Übergangs zwischen den Zonen 2 und 3 bestimmt. Die Zonen relativ hoher Konzentration laufen zum Innern des Halbleiterkörpers, das heißt auch zum eingangs definierten Mittelgebiet hin auseinander, so daß sich insbesondere dann am pn-übergang zwischen den Zonen 1 und 2 eine angenähert homogene laterale Verteilung der Rekombinationszentren ergibt, wenn der Abstand der Flächenelemente 9 klein gegen die Dicke des Halbleiterkörpers ist.

Eine merkliche Änderung des Gradienten gegenüber den Kurven 1, 2 (Fig.2) erhält man, wenn das Verhältnis der Flächen der Bereiche 8, 9 zwischen 0,1 :0,9 und 0,9:0,1 liegt Liegt das Verhältnis der Flächen der Flächenelemente nahe bei 0,9 :0,1, so stellt sich am Sperr-pn-Übergang ein Gradient ein, der etwas niedriger ist als die Kurve 1 in Fig.2. Mit kleiner werdendem Verhältnis der Flächen der Flächenelemente wird der Gradient der Konzentration der Rekombinationszentren am sperrenden pn-übergang immer kleiner. Bei einem Flächenverhältnis nahe bei 0,1 :0,9 ist der Gradient etwas größer als bei der Kut-ve 2 nach F i g. 2. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses der Flächen ist es somit auf einfache und reproduzierbare Weise möglich, am sperrenden pn-übergang beziehungsweise am pn-Übergang der Diode einen definierten Gradienten der Konzentration an Rekombinationszentren einzustellen. Dieser Gradient ist zum Beispiel durch die Kurve 3 in F i g. 2 dargestellt.

Die Flächenelemente vergleichsweise niedriger Konzentration können beispielsweise durch anodenseitig aufgebrachte Getterschichten erzeugt werden, deren Flächen im Verhältnis zu den nicht von Getterschichten

bedeckten Flächen im oben angegebenen Verhältnis, das heißt zwischen 0,1 :0,9 und 0,9 :0,l, liegt. Diese in Fig.3 mit 7 bezeichneten Getterschichten können beispielsweise durch auf bekannte Weise hergestellte, hoch (einige 10¹⁹ bis einige 10²¹ Atome/cm³) mit Phospor oder Bor dotierte Schichten oder auch durch Schichten mit stark gestörter Kristalloberfläche hergestellt werden. Stark gestörte Oberflächen erhält man beispielsweise durch Sandstrahlen. Die Flächenelemente werden unter Verwendung geeigneter bekannter Masken hergestellt. Es genügt, wenn die Zonen 7 eine Dicke von einigen Zehnteln bis einige μηι aufweisen.

Die Zonen 7 verschwinden, wenn nach der Herstellung der Getterschichten und Eindiffusion der Rekombinationszentren die anodenseitige Elektrode 6 anlegiert wird. Das Anlegieren geschieht üblicherweise mit Aluminium, das heißt einem stark p-dotierten Material. Dadurch werden die Bereiche 7, falls sie durch Phosphor oder Bor bereits hoch dotiert sind, überdotiert. Werden die Zonen 7 nicht durch Legieren überdotiert, so können sie auch nach dem Einbringen der Rekombinationszentren und vor dem Kontaktieren zum Beispiel durch Abätzen entfernt werden.

In F i g. 4 und 5 sind zwei praktische Beispiele für die Aufteilung der anodenseitigen Zone 3 des Halbleiterkörpers in Bereiche hoher und vergleichsweise niedriger Konzentration der Rekombinationszentren dargestellt. Die Fig.4 und 5 zeigen Ausschnitte des Halbleiterkörpers. In F i g. 4 sind die Flächenelemente 9 mit niedriger Konzentration als Aussparungen in einer Zone 8 hoher Konzentration angeordnet. Die Zone 8 bildet ein Netzmuster. Die Flächenelemente 9 können aber beispielsweise auch auf konzentrischen Ringen liegen. In F i g. 5 ist der umgekehrte Fall dargestellt, wo die Flächenelemente 9 ein Netzmuster bilden, das die Flächenelemente 8 einschließt. Die Flächenelemente beziehungsweise die Zone 8 sind zur besseren Hervorhebung schraffiert.

In F i g. 4 und 5 wurde der Deutlichkeit halber ein relativ grobes Muster dargestellt. Um die Schwankungen des Mittelwertes zur Kathodenseite hin klein zu halten, wird man ein feineres Muster mit kleinen Flächen vorziehen. Bewährt hat sich beispielsweise, die Anodenseite in Flächenelemente mit jeweils 150μηι Kantenlänge aufzuteilen. Damit ergibt sich für den Fall des Netzmusters, daß sich kreuzende Linien von 150 μιη Breite zwischen sich Fenster von 150 μηι Kanienlänge einschließen.

Der Konzentrationsunterschied der Golddotierung beider Arten von Flächenelementen beträgt im Mittelgebiet zum Beispiel 2:1. Variiert man die Flächenverhältnisse innerhalb der oben angegebenen Grenzen, so ergeben sich deutliche Änderungen des Gradienten der Konzentration von Rekombinationszentren im Mittelgebiet und im Rückstromverhalten. So wurde zum Beispiel bei hochsperrenden Thyristoren mit gleichen Sperr- und Durchlaßeigenschaften und einem Verhältnis der Flächen von 0,5 :0,5 eine Verringerung der Speicherladung, die für das Rückstromverhalten verantwortlich ist, um 20% erzielt im Vergleich zu einem Thyristor mit symmetrischem Profil der Dotierungskonzentration der Rekombinationszentren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dessen äußere anodenseitige Zone auf der ganzen Fläche mit einer Anodenelektrode bedeckt ist, mit Rekombinationszentren im Halbleiterkörper und mit mindestens einer die Rekombinationszentren getternden Schicht in der äußeren kathodenseitigen Zone, wobei anöden- und kathodenseitig ein Abfall der Konzentration der Rekombinationszentren zu einem Mittelgebiet hin auftritt und der Halbleiterkörper anodenseitig in Flächenelemente mit unterschiedlich hoher Konzentration an Rekombinationszentren aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere anodenseitige Bereich des Mktelgebietes (Ά^ durch Einstellung des Verhältnisses der Flächenelemente (8,9) so in die Flächenelemente aufgeteilt ist, daß im Mitteigebiet (M) der anodenseitige Mittelwert der Konzentration der Rekombinationszentren höher als der kathodenseiüge Mittelwert ist

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Flächenelemente (8, 9) ein regelmäßiges Muster bilden.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente (8, 9) mit vergleichsweise hoher Konzentration ein Netzmuster bilden.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente (8, 9) mit vergleichsweise niedriger Konzentration ein Netzmuster bilden.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Flächen der Flächenelemente mit hoher Konzentration (8) zu denen mit niedriger Konzentration (9) zwischen 0,9 :0,1 und 0,1 :0,9 liegt.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprache 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Entfernung zwischen Flächenelementen (9) mit geringer Konzentration kleiner als die Dicke des Halbleiterkörpers ist.