DE2634155A1 - Halbleiter-gleichrichterventil mit kleinem vorwaerts-spannungsabfall - Google Patents

Halbleiter-gleichrichterventil mit kleinem vorwaerts-spannungsabfall

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DE2634155A1 DE19762634155 DE2634155A DE2634155A1 DE 2634155 A1 DE2634155 A1 DE 2634155A1 DE 19762634155 DE19762634155 DE 19762634155 DE 2634155 A DE2634155 A DE 2634155A DE 2634155 A1 DE2634155 A1 DE 2634155A1
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Description

  • Halbleiter-Gleichrichterventil mit kleinem Torwärts-Spannungsabfall Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Gleichrichterventil und insbesondere eine Leistungsdiode, die mit hoher Geschwindigkeit arbeiten kann und einen kleinen Vorwärts-Spannungsabfall hat.
  • In jüngster Zeit stieg der Bedarf an Leistungsdioden, die bei hoher Geschwindigkeit mit geringem Energieverlust arbeiten und in einer stabilisierten Strom- bzw. Energiequelle für einen elektronischen Rechner und dessen Terminal-Einheiten eingesetzt werden können. Im allgemeinen hat eine Leistungsdiode eine erste Halbleiterschicht oder -lage eines Leitfähigkeitstyps, eine zweite Halbleiterschicht eines zum einen Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps neben einer der entgegengesetzten Flächen der ersten Halbleiterschicht, um einen pn-Übergang mit der ersten Halbleiterschicht zu bilden, eine dritte Halbleiterschicht des einen Leitfähigkeitstyps neben der anderen Fläche der ersten Halbleiterschicht und mit einer höheren Fremdstoffkonzentration als die erste Halbleiterschicht sowie zwei Hauptelektroden inohm'schen Kontakt mit den Flächen der zweiten bzw. der dritten Halbleiterschicht. Die Dicke und die Fremdstoffkonzentration der ersten Halbleiterschicht werden im Hinblick auf die Durchbruchspannung der sich ergebenden Diode festgelegt. Ebenso werden die Dicke unl die Bremdstoffkonzentration der zweiten und der dritten Halbleiterschicht so bestimmt, daß Fremdstoffatome durch eine bei der Herstellung der Hauptelektroden gebildete Legierung nicht absorbiert werden und die ohm'schen Kontakte erzeugt werden. Weiterhin wird die Dicke der ersten, zweiten und dritten Halbleiterschicht insgesamt so bestimmt, daß für die Verarbeitung eine ausreichende Stabilität oder Stärke gewährleistet ist.
  • Unter der Voraussetzung, faß die Hauptelektroden inohm?schem Kontakt mit den Flächen der zweiten bzw. der dritten Halbleiterschicht sind, ist der Vorwärts-Spannungsabfall der sich ergebenden Diode gegeben durch die Summe aus der Sperrspannung des pn-Überganges und dem Spannungsabfall an der ersten Halbleiterschicht. Der Vorwärts- oder Durchlaßspannungsabfall kann verringert werden, indem die Sperrspannung und der Spannungsabfall an der ersten Halbleiterschicht herabgesetzt werden, aber es ist praktisch unmöglich, die Sperrspannung und den Spannungsabfall an der ersten Halbleiterschicht zu verringern, da die Dicke und die Fremstoffkonzentration der ersten Halbleiterschicht und die Fremstoffkonzentration der zweiten Halbleiterschicht in der oben erläuterten Weise bestimmt sind. Daher ist es mit pn-Dioden bisher nicht möglich, den Vorwärts-Spannungsabfall unter 1,0 bis 1,1 V zu senken.
  • Um andererseits einen schnellen Betrieb der Leistungsdiode zu ermöglichen, wird ein Rekombinationszentren bildender Fremstoff, wie z.B. Gold, in die erste Halbleiterschicht dotiert, um die Lebensdauer der Ladungsträger in der ersten Halbleiterschicht zu verkürzen. Wenn Jedoch Goldatome in die erste Halbleiterschicht beigefügt werden, nimmt der Bahnwiderstand der ersten Halbleiterschicht zu, so daß ein Anstieg des Vorwärts-Spannungsabfalls eintritt.
  • So ist es noch schwieriger, eine Diode mit hoher Betriebsgeschwindigkeit und kleinem Vorwärts-Spannungsabfall als eine Diode lediglich mit einem kleinen Vorwärts-Spannungsabfall zu erhalten.
  • In Jüngster Zeit wurde eine Diode mit einer Energiesperre, d.h. einer Schottky-Sperre, die auf einem Kontakt zwischen Metall und Halbleiter beruht, entwickelt als eine der Dioden, die bei kleinem Vorwärts-Spannungsabfall mit hoher Geschwindigkeit arbeiten können. Mit einer derartigen Diode ist es jedoch technisch schwierig, eine einheitliche Schottky-Sperre mit großer Reproduzierbarkeit herzustellen, so daß es insbesondere schwierig ist, eine Leistungsdiode mit großer gleichrichtender Fläche mit einer zufriedenstellenden Schottky-Sperre herzustellen. Auch hat die Schottky-Sperrschicht-Diode den Nachteil, daß nicht immer eine gewünschte Stehspannung erhalten werden kann.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiter-Gleichrichterventil anzugeben, das einen kleineren Vorwärts-Spannungsabfall als eine herkömmliche pn-Diode hat und schnell arbeiten kann.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiter-Gleichrichterventil zeichnet sich dadurch aus, daß eine der beiden Schichtenfider entgegengesetzten Seiten eines pn-Überganges mit höherer Fremdstoffkonzentration eine Fremdstoffinenge von 1 x 1010 bis 2 x 1015 Atome in einem Volumen (cm3) über der gesamten Dicke je Flächeneinheit der einen Schicht hat. Insbesondere hat das Halbleiter-Gleichrichterventil eine p+nn+-oder n+pp+ -Struktur. Vorzugsweise wird eine Fremdstoffrnenge von 1 ~ 1011 bis 1 . 1014 Atomengewählt.
  • Wie ein derartiges Halbleiter-Gleichrichterventil die oben beschriebene Aufgabe löst, wird weiter unten anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • In einem Halbleiter-Gleichrichterventil einer p+nn+ - oder n+pp+ -Struktur mit einem pn-Übergang hat also eine der beiden Schichten der entgegengesetzten Seiten des pn-Überganges mit einer größeren Fremdstoffkonzentration eine Fremdstoftliienge von 1. 1010 bis 2 ~ 1015 Atome in einem Volumen (gemessen in cm3) durch die gesamte Dicke Je Flächen einheit der einen Schicht.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch einen Schnitt einer Diode mit einer p+nn+ -Struktur, Fig. 2 die Verteilung der Ladungsträger in der Emitterschicht, wobei dargestellt ist, daß der Spannungsabfall am pn-Übergang durch Verringern der Fremdstoffkonzentration in der Emitterschicht herabgesetzt ist, Fig. 3 die Verteilung der Ladungsträger in der Emitterschicht, wobei dargestellt ist, daß sich der Spannungsabfall am pn-tbergang mit der Dicke der Emitterschicht verringert, Fig. 4 die Verringerung des Vorwärts-Spannungsabfalls der Diode mit der gesamten Fremstoffmenge je Einheitsfläche der Emitterschicht, Fig. 5 Kennlinien für die Beziehung zwischen der gesamten Fremdstoffmenge je Einheitsfläche der Emitterschicht und dem Vorwärtsspannungsabfall, wobei die Dicke der Basisschicht als Parameter dient.
  • Fig. 6 Kennlinien für die Beziehung zwischen der gesamten Fremdstorfmenge je Einheitsfläche der Emitterschicht und der Vorwärts- bzw, Rückwärts-Erholungszeit, Fig. 7 schematisch einen Schnitt einer Diode nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 8 schematisch einen Schnitt einer Diode nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 9 Kennlinien für die Beziehung zwischen der Fremdstoffkonzentration in einer polykristallinen Schicht und dem Vorwärtsspannungsabfall der Diode Bevor die Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, wird zunächst auf den Grundgedanken eingegangen, auf dem die Erfindung beruht.
  • Die Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt eine Diode einer Dreischiohten-Struktur mit einem Halbleitersubstrat 11, das einen niedrigen spez.Widerstan# hat, mit einer Basisschicht 12, die auf dem Substrat 11 vorgesehen ist und einen hohen spez;lWiderstand sowie den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 11 hat, und mit einer Emitterschicht 13, die auf der Basisschicht 12 vorgesehen ist, um einen pn-Übergang J1 mit der Basisschicht 12 zu bilden, und die einen von der Basisschicht 12 verschiedenen Leitfähigkeitstyp besitzt. Der Vorwärtsspannungsabfall VF einer derartigen Diode ist gegeben durch die folgende Gleichung (1): VF = VJ + VB (1) mit VJ = Summe aus dem Spannungsabfall am pn-Übergang J1 und aus dem Spannungsabfall am Übergang J2 zwischen dem Substrat 11 und der Basisschicht 12, und VB = Summe aus den Spannungsabfällen aufgrund der Bahnwiderstände des Substrats 11, der Basisschicht 12 und der Emitterschicht 13.
  • Da die spez.Widerstände des Substrats 11 und der Emitterschicht 13 wesentlich geringer als der spezif.Widerstand der Basisschicht 12 sind, ist VB ungefähr gleich dem Spannungsabfall an der Basisschicht 12. In herkömmlicher Weise wird VB verrinvert, um VF herabzusetzen. Erfindungsgemäß wird jedoch VF verringert, indem Vj kleiner gemacht wird. VF kann im letzteren Fall kleiner als im ersten Fall gemacht werden.
  • Im folgenden wird beschrieben, wie VF verringert werden kann, indem die gesamte Fremdst-offmenge je Flächeneinheit der Emitterschicht 13, dargestellt durch das Produkt aus der Fremdstoffkonzentration in der Emitterschicht 13 und der Dicke der Emitterschicht 13, verringert wird, zusammen mit dem Fall, in dem das Substrat 11 und die Basis 12 n-leitend sind und die Emitterschicht 13 p-leitend ist.
  • Die Bezeichnung "gesamte Fremdstoff inenge Je Flächeneinheit1, oder "gesamte Fremdstoffmenge" , die in der Beschreibung für eine bestimmte Schicht verwendet wird, bedeutet die Größe bzw. Menge der Fremdstoffatome in einem Volumen durch ie gesamte Dicke je Flächeneinheit der Schicht. Im folgenden wird der Wert einer derartigen Gesamtfremdstoff menge für das gerade festgelegte Volumen, gemessen in cm3, gegeben.
  • Der Wert ist gleichwertig dem Produkt aus der Fremdstoffkonzentration Je Einheitsvolumen der Schicht und der Dicke der Schicht.
  • Die Fig. 2 zeigt qualitativ die Verteilung der Ladungsträgerkonzentrationen in den Bereichen großen Stromes der jeweiligen Schichten der in Fig. 1 gezeigten Diode. In Fig. 2 ist auf der Abszisse die Entfernung von der Oberfläche der Emitterschicht 13 zum Innern der Diode und auf der Ordinate die sich mit der Entfernung ändernde Ladungsträgerkonzentration aufgetragen, wobei Kurven e und h der Elektronenkonzentration bzw. Löcherkonzentration entsprechen, Da die sogenannte Leitfähigkeitsmodulation oder -änderung im Bereich großen Stromes der Basisschicht 12 erfolgt, ist die Ladungsträgerkonzentration in der Basisschicht 12 höher als die Fremdstoffkonzentrationskennlinie der Basisschicht. Ebenso sind die Löcher- und Elektronen-Konzentrationen in der Basisschicht 12 entsprechend der Neutralitätsbedingung zueinander gleich.
  • Das Übergangspotential Vj wird gewöhnlich durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt: mit X = Ladungsträgerkonzentration der Basisschicht 12 am pn-Übergang Jl.
  • Y = Ladungsträgerkonzentration der Basisschicht 12 am Übergang j2 (vgl. Fig. 2) q = Elementarladung, k = Boltzmann-Konstante, T = absolute Temperatur,und ni- Ladungsträgerkonzentration in einem eigenleitenden Halbleiter.
  • Die Fremdstoffkonzentration PE der Emft terschicht 13 wird nun auf PE verringert. Da demgemäß die Löcherkonzentration und die Fremdstoffkonzentration in der Emitterschicht 13 ungefähr einander gleich sind, nimmt die Löcherkonzentration in der Emitterschicht ab, so daß sich die in die Basisschicht 12 injizierten Ladungsträger verringern, um die Punkte X und Y nach X' bzw. Y' zu verschieben. Folglich nimmt, wie aus der Gleichung (2) folgt, Vj ab.
  • Die Fig. 3 zeigt qualitativ die Verteilung der Ladungsträgerkoiizentrationen in den jeweiligen Schichten für einen Fall, in dem die Dicke der Emitterschicht 13 abnimmt. In Fig. 3 sind auf der Abszisse der Abstand von der Oberfläche der Emitterschicht 13 zum Innern der Diode und auf der Ordinate die sich mit dem Abstand änernden Ladungsträgerkonzentrationen aufgetragen, wobei h und e der Löcherkonzentration bzw. der Elektronenkonzentration entsprechen. Wenn in diesem Fall die Dicke dE der Emitterschicht 13 auf G (vgl. Fig. 3) verringert wird, nimmt die Elektronenkonzentration in der Emitterschicht 13 ab, wie dies durch eine Strichlinie angedeutet ist, um die Punkte X und Y nach unten zu X" und Y" aufgrund der Randbedingung zu verschieben, daß die Elektronenkonzentration an der Oberfläche der Emitterschicht 13 gleich dem Wert Npo im thermischen Gleichgewicht ist. Demgemäß nimmt Vj ab, wie dies aus Gleichung (2) folgt.
  • Auf diese Weise kann Vj verringert werden, indem die Fremdstoffkonzentration oder die Dicke der Emitterschicht 13 verringert werden. Da nebenbei die gesamte Fremdstoff menge je Einheitsfläche der Emitterschicht 13 als das Produkt aus der Fremdstoffkonzentration PE Je Einheitsvolumen der Emitterschicht 13 und der Dicke dE der Emitterschicht 13 ausgedrückt wird ( Q = PE *pdE)> kann Vj auch verringert werden, indem Q verringert wira. Wenn V; durch Verringern von Q verringert wird, nimmt die Ladungsträgerkonzentration in der Basisschicht 12 ab, um den Spannungsabfall VB aufgrund des Bahnwiderstandes der Basisschicht zu erhöhen.
  • Jedoch ist in der Basisschicht 12 die Ladungsträgerkonzentration größer als die charakteristische Fremdstoffkonzentration aufgrund der Leitfähigkeitsänderung, und daher ist der Wert von VB selbst wesentlich kleiner als der Wert von VJ. Folglich ist die Anstiegsgeschwindigkeit von VB viel kleiner als die Abfallgeschwindigkeit von VJ.
  • Die Fig. 4 zeigt qualitativ die Änderungen von VJ VB und VF mit Q, wobei auf der Abszisse die gesamte Fremdstoffmenge je Flächeneinheit der Emitterschicht und auf der Ordinate die Jeweiligen Spannungsabfälle aufgetragen sind.
  • Wie aus dieser Figur folgt, kann VF als Summe von VJ und VB verringert werden, indem Q kleiner gemacht wird. In diesem Fall ist die Anstiegsgeschwindigkeit von VB umso kleiner, je kleiner die Dicke dB der Basisschicht ist.
  • Daher ist das Verringern von VF durch Verringern von Q umso wirksamer, je kleiner dB ist. Auch werden bei diesem Vorgehen die in die Basisschicht 12 injizierten überflüssigen Ladungsträger verringert, so daß die Rückwärts-Erholungszeit der Diode verkürzt werden kann. Als Ergebnis kann der Vorwärts-Spannungsabfall verringert werden, während ein Betrieb mit hoher Geschwindigkeit erzielt wird.
  • Im folgenden wird der Bereich der gesamten Fremdstoffrienge je Flächeneinheit der Emitterschicht näher erläutert, der zur Lösung der oben genannten Aufgabe besonders wichtig ist, Die Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der gesamten Fremdstoffmenge Q je Flächeneinheit und dem Vorwärts-Spannungsabfall VF mit dB als Parameter. Diese Beziehung wurde erhalten, indem mehrere Dioden hergestellt wurden, von denen Jede ein Substrat, eine Basisschicht und eine Emitterschicht aufweist. Bei diesen Dioden war der spezifische Widerstand der Basisschicht fest, und die Dicken dB (und damit die Durchbruchsspannungen) der Basisschichten und die gesamten Fremdstoff mengenQ je Flächeneinheit des Emitters wurden geändert. Die Durchbruchsspannung der Basisschicht wird durch dB bestimmt, wenn der spezifische Widerstand der Basisschicht konstant ist. Die Vorwärts-Spannungsabfälle VF der Dioden wurden gemessen. In diesem Fall beträgt die Vorwärts-Stromdichte durch jede Diode 100A/cm­ und die Dicken (und damit die Durchbruchsspannungen) der Basisschichten sind 51sm (120 V), 15m (280 V) und 30+im (400 V). Aus der Fig. 5 folgt, daß der Vorwärtsspannungsabfall VF geändert werden kann, indem die gesamte Fremdstoffmenge Q je Flächeneinheit der Emitterschicht unabhängig von der Dicke dB der Basisschicht geändert wird. enn insbesondere die gesamte Fremdstoffrienge Q je Flächeneinheit über 2 ~ 1015 Atome hinausgeht, wird VF durch Andern von Q nicht geändert, aber wenn Q unter 2 ~ 1015 Atomen liegt, nimmt VF mit Q ab, obwohl sich die Anderungsgeschwindigteit von VF abhängig von der Dicke der Basisschicht ändert.
  • Die gesamte Fremdstoffmenge je Flächeneinheit der Emitterschicht einer herkömmlichen Diode ist größer als 1 ~ 1316 Atome, da die Oberflächen-Fremdstoffkonzentration der Emitterschicht größer als 5 , 1018 Atome/cm3 sein muß, um eine Hauptelektrode in Ohmschen Kontakt mit der Emitterschicht zu halten, und da die Dicke der Emitterschicht größer als 29Mm sein muß, um die bei der Oberflächenbehandlung vor der Herstellung der Elektroden und durch eine bei der Herstellung der Elektroden gebildete Legierung absorbierte Fremdstoffmenge zu kompensieren.
  • Wie aus der Fig. 5 folgt, hört die Tendenz von VF, mit abnehmendem Q abzunehmen, in der Emitterschicht bei 1. 1010 Atomen auf, und VF bleibt für kleinere Werte von Q unabhängig von der Anderung in Q konstant.
  • Die Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Vorwärts-Erholungszeit ttfrund der gesamten Fremdstoffmenge Q und zwischen der Rückwärts-Erholungszeit trr und der gesamten Fremdstoffmenge Q, wobei die Vorwärts- und die Rückwärts-Erholungszeiten tfr und trr Parameter sind, die die Fähigkeit einer Diode anzeigen, mit hoher Geschwindigkeit zu arbeiten. Wenn Q abnimmt, nimmt trr ebenfalls ab, wobei jedoch #tfr zunimmt. Daher ist es nicht günstig, Q bei der Erfindung zu klein zu machen, bei der ein Betrieb mit hoher Geschwindigkeit angestrebt wird. Daher hat es keine Auswirkung, Q kleiner als 1 * 1010 Atome zu machen, d.h.
  • Q in einen Bereich zu legen, in dem VF nicht abnehmen kann.
  • Um darüberhinaus eine Emitterschicht mit einem Wert von Q kleiner als 1 ~ 1010 Atome zu erhalten, muß die Dicke der Emitterschicht verringert werden. Das Verringern der Dicke ist aber nicht günstig, da dann Probleme bei der Herstellung der Elektroden auftreten.
  • Wie oben erläutert wurde, wird durch Einstellen der ge-Q.
  • samten Fremstoffmenge je Fläeheneinheitder Emitterschicht in einen Bereich von 1 ~ 1010 bis 2 . 1015 Atome eine Diode erhalten, die schneller als herkömmliche Dioden arbeitet und einen kleineren Vorwärts-Spannungsabfall als herkömmliche Dioden hat. Durch Einstellen der gesamten Fremdstoffmenge in der Emitterschicht auf einen Bereich von 1 . 1011 bis 1 . 1014 Atome werden tfr und trr beide kürzer als 100 ns, wie dies aus Fig. 6 folgt, und diese Bedingung ist sehr vorteilhaft in einem Fall, in dem eine sehr schnelle Diode hergestellt werden soll.
  • Oben wurde die Erfindung für eine Diode mit p+nn+ -Struktur erläutert. Die Erfindung kann selbstverständlich auch für eine Diode mit n+pp+ -, p+pn- oder n+np-Struktur verwendet werden. Dies folgt aus der Tatsache, daß der Vorwärts-Spannungsabfall durch die gesamte Fremdstoffmenge Je Flächeneinheit der Emitterschicht bestimmt ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
  • Die Fig. 7 zeigt in einem Schnitt eine Diode als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Emitterschicht durch Ionenimplantation hergestellt wird. In Fig. 7 sind vorgesehen ein n-leitendes Halbleitersubstrat 71 mit niedrigem spez.Widerstand' eine n-leitende Basisschicht 72 mit höherem spez.Widerstand als das Substrat 71 und auf dem Substrat 71, eine p-leitende Emitterschicht 73 auf der Basisschicht 72 durch Implantation von Bor-Ionen in die Oberfläche der Basisschicht 72, eine p-leitende Schutzringschicht 74 mit einem höherenspezif.Widerstand als die Emitterschicht 73 und in Berührung mit dem Rand der Emitterschicht 73, um diese zu umgeben, und zwei Hauptelektroden 75 bzw. 76 in ohm'schen Kontakt mit den Oberflächen des Substrats 71 bzw. der Emitterschicht 73.
  • Die Fremdstoffkonzentration und die Dicke der Emitterschicht 73 können durch Einstellen der Menge der implantierten Ionen und der Implantationsenergie so gesteuert werden, daß der Bereich der gesamten Fremdstoffkonzentration je Flächeneinheit der Emitterschicht entsprechend der Erfindung leicht erhalten werden kann.
  • Die Fig. 8 zeigt in einem Schnitt eine Diode als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Emitterschicht durch Diffusion eines Fremdstoffes hergestellt ist, der die Leitfähigkeit einer polykristallinen Halbleiterschicht festlegt. In Fig. 8 sind vorgesehen ein n-leitendes Halbleitersubstrat 81 mit niedrigem spez.W#derstan4 eine n-leitende Basisschicht 82 mit einem höheren spezif.Widerstaril als das Substrat 81 und auf dem Substrat 81, eine p-leitende Emitterschicht 83 auf der n-leitenden Basisschicht 82, eine p-leitende polykristalline Schicht 84 auf der p-leitenden Emitterschicht 83 sowie zwei Hauptelektroden 85 und 86 in ohmschen Kontakt mit dem Substrat 81 bzw. der polykristallinen Schicht 84. Eine Diode mit diesem Aufbau wird durch ein Verfahren hergestellt, bei dem das Substrat 81 mit der Basisschicht 82 darauf gebildet wird, bei dem die p-leitende polykristalline Schicht auf der Basisschicht 82 epitaktisch aufwächst und bei dem die Emitterschicht 83 durch Diffusion des Fremdstoffes in der polykristallinen Schicht in die Basisschicht 82 während des epitaktischen Aufwachsens erzeugt wird. Entsprechend diesem Verfahren kann die Fremdstoffkonzentration in der Emitterschicht frei eingestellt werden, indem die Fremdstoffkonzentration in der polykristallinen Schicht eingestellt wird, und daher ist die Einstellung der niedrigen Fremdstoffkonzentration in diesem Fall einfacher als in dem Fall, in dem der Fremdstoff aus der Gasphase oder durch Ablagerung diffundiert wird. Darüberhinaus ermöglicht das Verfahren die Herstellung einer dünnen Diffusionsschicht und ist daher zur Fertigung der erfindungsgemäßen Diode geeignet, die eine kleinere gesamte Fremdstoffmenge je Flächeneinheit des Emitters als eine herkcmmliche Diode hat. Da weiterhin die für den zu erhalterden ohm' schen Kontakt erforderliche Fremdstoffkonzentration der polykristallInen Schicht niedriger als die Fremdstoffkonzentration der monokristallinen Schicht zur Erzielung des gleichen Zweckes ist, ermöglicht das oben erläuterte Verfahren eine Kontaktierung, die für die erfindungsgemäße Diode geeignet ist, bei der die Fremdstoffkor.zentration hinsichtlich der gesamten Fremdstoffmenge je Flächen einheit der Emitterschicht niedrig sein muß.
  • Ein Metall, das im wesentlichen oder hauptsächlich aus Chrom, Molybdän oder Wolfram besteht, wird vorzugsweise für die Hauptelektrode 86 verwendet, damit diese in ohm'schem Kontakt mit der polykristallinen Schicht ist.
  • Die Ursache, warum ein derartiges Metall gewählt wird, wird im folgenden erläutert. Da insbesondere Chrom, Molybdän oder Wolfram in fester Phase mit der polykristallinen Schicht reagiert, wenn es mit dieser in Berührung gebracht wird, wiro die Unebenheit oder Ungleichmäßigkeit der Oberfläche der polykristallinen Schicht selbst nach Herstellung der Hauptelektrode erhalten, so daß der Bereich der Kontaktfläche zwischen der polykristallinen Schicht und der Hauptelektrode groß wird. Demgemäß wird der Kontaktwiderstand zwischen der polykristallinen Schicht und der Hauptelektrode klein, so daß eine Halbleitervorrichtung mit kleinem Vorwärts-Spannungsabfall erhalten werden kann, da dieser nicht in großem Maß einen Wert überschreitet, der durch die Geometrie der gleichrichtenden Schicht bestimmt ist.
  • Vorzugsweise ist die polykristalline Schicht dicker als 2m. Der Grund hierfür ist, daß eine Hauptelektrode auf der polykristallinen Schicht aufgebracht werden muß, und wenn die polykristalline Schicht zu dünn ist, dringt das Metall-der Hauptelektrode durch die polykristalline Schicht während der Sinter- oder Temperaturbehandlung zum Löten oder Befestigen von Leitungsdrähten und erreicht die Emitterschicht, so daß die Sperreigenschaften der sich ergebenden Diode wesentlich verschlechtert werden.
  • Versuchsergebnisse haben gezeigt, daß die Dicke der polykristallinen Schicht vorzugsweise größer als 2 m ist, um eine gewünschte Kennlinie mit guter Reproduzierbarkeit zu erhalten.
  • Das zweite oder zuletzt beschriebene Ausführungsbeispiel wird weiter anhand konkreter Zahlenwerte erläutert. Für das Substrat 81 dient eine n-leitende Silicium-Scheibe mit einem spezifischen Widerstand von O,Ol,cz cmund einer Dicke von 250m, Auf dem Substrat 81 wird epitaktisch die n-leitende Basisschicht 82 mit einem höheren spezifischen Widerstand von 6 cm und einer Dicke von zum abgeschieden. Die p-leitende polykristalline Silicium-Schicht 84 mit einem spezifischen Widerstand von O,lfi cm und einer Dicke von 3?rim wächst epitaktisch auf der Basisschicht 82 auf. Während dieses epitaktischen Aufwachsens diffundiert der Fremdstoff in der polykristallinen Schicht 84 in die Basisschicht 82, um die p-leitende Emitterschicht 83 mit einer Fremdstoffkonzentration von 3 * 1016 Atomen/cm3 und einer Dicke von zum in der Oberfläche der Basisschicht 82 zu bilden. In diesem Fall beträgt die Fremdstoff-Gesamtmenge Q je Einheitsfläche der Emitterschicht 83 1,5 e 1012 Atome. Elektroden mit jeweils einer Dreischichten-Struktur aus Cr-Ni-Ag werden auf den Oberflächen des Substrats 81 und der polykristallinen Schicht 84 durch Vakuumaufdampfen gebildet, um die erfindungsgemäße Diode fertigzustellen. Bei dieser Diode betragen der Vorwärts-Spannungsabfall 0,77 V, die Rückwärts-Erholungszeit 60 ns, die Vorwärts-Erholungszeit 40 ns und die Rückwärts-Durchbruchsspannung 150 V, wenn die Vorwärts-Stromdichte 100 A/cm2 beträgt. Die Wirkung der Erfindung ist offenbar, wenn die Tatsache berücksichtigt wird, daß der Vorwärts-Spannungsabfall einer herkömmlichen Diode gleicher Art 1,2 V beträgt.
  • Um eine Diode mit einem Vorwärts-Spannungsabfall kleiner als 0,9 V entsprechend dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit großer Reproduzierbarkeit herzustellen, wird vorzugsweise für die Dicke der polykristallinen Schicht 84 ein Wert im Bereich 2 bis 5#Um und für die Fremdstoffkonzentration in der polykristallinen Schicht 84 ein Wert im Bereich vom 3 ~ 1017 bis 5 a 1019 Atome/cm3 gewählt. Der Grund hierfür wird weiter unten erläutert.
  • Die Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Fremdstoffkonzentration in der polykristallinen Schicht 84 und dem Vorwärts-Spannungsabfall, der durch Versuche für Dioden mit dem in Fig. 8 dargestellten Aufbau erhalten wurde.
  • In diesem Fall ist die Basisschicht 82 n-leitend und hat eine Fremdstoffkonzentration von 5. 1015 Atomen/cm3, während die polykristalline Schicht 84 p-leitend mit Bor als Fremdstoff ist und deren Dicke sich in einem Bereich von 5 bis 50im ändert. Die polykristalline Schicht 84 wird durch Aufwachsen aus der Gasphase bei 950cm gebildet, und gleichzeitig wird die Emitterschicht 83 mit einer Dicke von 0,5 bis l,Q# hergestellt. Die Dichte des Vorwärts-Durchlaßstromes durch die Diode beträgt 1 A/mm2 , was die Standardstromdichte für eine Silicium-Diode ist. Wie aus der Fig. 9 hervorgeht, nimmt der Vorwärts-Spannungsabfall den Mindestwert für eine bestimmte Fremdstoffkonzentration der polykristallinen Schicht 84 zwischen 1 ~ 1018 und 1 . 1019 Atomen/cm3 an.
  • Der Vorwärts-Spannungsabfall der herkömmlichen Diode mit pn-Übergang beträgt 1 V oder mehr. Da die erfindungsgemäße Diode einen kleineren Vorwärts-Spannungsabfall als eine herkömmliche Diode aufweisen soll, wird die Fremdstoffkonzentration der polykristallinen Schicht 84 in einem Bereich von 3 k 1017 bis 5 ~1019 Atomen/cm3 in Anbetracht der Schwankung der Fremdstoffkonzentrationen in den Emitterschichten der erhaltenen Dioden gewählt.
  • Auf diese Weise kann eine Diode mit einem kleineren Vorwärts -Spannungsabfall als die herkömmliche Diode mit pn-Übergang mit guter Reproduzierbarkeit erhalten werden.
  • Da die polykristalline Schicht 84 als Serienwiderstand gegenüber dem Durchlaß- oder Vorwärtsstrom dient, wird vorzugsweise die Schicht 84 so dünn als möglich gemacht, um den Vorwärts-Spannungsabfall zu verringern. In der Fig. 9 ist derVorwärts-Spannungsabfall für kleinere Fremdstoffkonzentrationen groß. Der Grund liegt in der Tatsache, daß der spezifische Widerstand der polykristallinen Schicht für diese geringen Fremdstoffkon zentrationen hoch wird. Der spezifische Widerstand der -1 polykristallinen Schicht beträgtungefäht 1 . 10 j: cm für eine Fremdstoffkonzentration von 5 . 1019 Atomen/cm³, und wenn der Spannungsabfall aufgrund des Serienwiderstandes gegenüber einer Stromdichte von 1 A/mm2 kleiner als 0,05 V sein muß, muß die Dicke der polykristallinen Schicht geringer als 50y sein. Wenn die Fremdstoffkonzentration der polykristallinen Schicht 3 * 1017 Atome/cm3 beträgk, ist der spezifische Widerstand der Schicht 2Q cm, so daß die Schicht dünner als 2,5t-sein muß. Der Spannungsabfall an der polykristallinen Schicht wird kleiner als 0,05 V gewählt, da der im Hinblick auf die Sperrspannung des pn-Überganges erlaubte maximale Spannungsabfall der polykristallinen Schicht 0,05 V beträgt, um den Vorwärts-Spannungsabfall der Diode kleiner als 0,9 V zu machen, d.h.
  • kleiner als bei der herkömmlichen Diode mit pn-Übergang.
  • Wenn andererseits die polykristalline Schicht zu dünn ist, durchdringt das als Elektrode auf der polykristallinen Schicht vorgesehene Metall die polykristalline Schicht während der Wärmebehandlung, wie z.B. während des Sinterns oder des Anlötens der Leitungsdrähte, und erreicht die Emitterschicht, um die Rückwärts- oder Sperrkennlinie der Diode wesentlich zu beeinträchtigen. Versuche haben gezeigt, daß die Dicke der polykristallinen Schicht größer als 2 l m sein muß, um eine gewünschte Kennlinie mit guter Reproduzierbarkeit zu erhalten. Demgemäß kann eine Diode mit hoher Stehspannung und geringem Energieverlust erhalten werden, indem die Dicke der polykristallinen Schicht in einem Bereich von 2 bis 50m gewählt wird. Die in Fig. 9 dargestellte Kennlinie und der spezifische Widerstand der polykristallinen Schicht, nach denen die sicke und die Fremdstoffkcnzentration der polykristallinen Schicht eingestellt werden, werden nicht durch die Arten der verwendeten Fremdstoffe beeinflußt, sondern durch die Konzentration des Fremdstoffes in der Schicht bestimmt. Deshalb kann der Fremdstoff zum Bestimmen des Leitfähigkeitstyps der polykristallinen Schicht frei gewählt werden.

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    Halbleiter-Gleichrichterventil, mit einer ersten Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps, mit einer zweiten, an eine Fläche der ersten Halbleiterschicht angrenzenden Halbleiterschicht des einen Leitfähigkeitstyps mit höherer Fremdstoffkonzentration als die erste Halbleiterschicht, und mit einer dritten, an die andere Fläche der ersten Halbleiterschicht angrenzenden Halbleiterschicht des anderen Leitfähigkeitstyps mit höherer Fremdstoffkonzentration als die erste Halbleiterschicht, die mit dieser einen pn-Übergang bildet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die dritte Halbleiterschicht (73; 83) eine Fremd-10 stoffmenge von 1 10 bis 2 1015 Atomen Je Flächeneinheit in einem in cm3 gemessenen Volumen über der gesamten Schichtdicke dieser Schicht (73; 83) aufweist (Fig. 7, 8).
  2. 2. Halbleiter-Gleichrichterventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht (83) durch Diffusion eines Fremdstoffes gebildet ist, der den Leitfähigkeitstyp einer polykristallinen Halbleiterschicht (84) des anderen Leitfähigkeitstyps auf der dritten Halbleiterschicht (83) bestimmt (Fig. 8).
  3. 3. Halbleiter-Gleichrichterventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoff-11 menge der dritten Halbleiterschicht 1 ~101l bis 1 ~ 1014 Atome beträgt.
  4. 4. Halbleiter-Gleichrichterventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der polykristallinen Halbleiterschicht ()4) wenigstens 2µm beträgt.
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