DE2710701A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents
HalbleiterbauelementInfo
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Description
AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA VP 1 0 2 k 9RD
(Zusatz zum Patent (Patentanm. P 26 25 356.0)
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Zonen
abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dessen Anode auf der ganzen Fläche mit einer Anodenelektrode verbunden 1st, mit
Rekombinationszentren im Halbleiterkörper und mit mindestens einer die Rekombinationszentren getteraden Schicht auf der
Kathode, wobei von der Anoden- und der Kathodenseite ein Abfall der Konzentration der Rekombinationszentren zu einem Mittelgebiet
hin auftritt und wobei das Mittelgebiet mindestens anodenseltig in Bereichselemente mit unterschiedlich hoher
Konzentration an Rekombinationszentren aufgeteilt ist und das Verhältnis der Bereichselemente so eingestellt ist, daß im
Mittelgebiet der anodenseitige Mittelwert der Konzentration der Rekombinationszentren höher als der kathodenseitige MIt-
telwert ist, nach Patent (Anmeldung „.'
P 26 25 856.0).
Ein solches Halbleiterbauelement kann beispielsweise ein Thyristor
oder eine Diode sein. Der Halbleiterkörper eines Thyristors weist im allgemeinen vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten
Leitungstyps auf, zwischen denen je ein pn-übergang
Hab 1 Dx / 7.3.1977 - 2 -
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3 "*- t 77 P 1 0 2 4 BRD
liegt. Der zwischen äußerer und innerer anodenseitiger Zone
liegende pn-übergang ist der Sperr-pn-übergang, an dem der größte Teil der Sperrspannung abfällt. Der Halbleiterkörper
einer Leistungsdiode hat im wesentlichen zwei Zonen von entgegengesetztem Leitungstyp. Die Halbleiterkörper solcher Halbleiterbauelemente
weisen einen gewissen Gehalt an Rekombinationszentren auf, durch deren Wirkung maßgebliche elektrische
Eigenschaften, beispielsweise die Freiwerdezeit beeinflußt wird. Die genannten Rekombinationszentren sind meist Schwermetallatome
wie Gold, Platin oder Mangan.
Die beim Herstellen der obengenannten Halbleiterbauelemente verwendeten Verfahren bringen es mit sich, daß ein gewisser
Teil der eingebrachten Rekombinationszentren in oberflächennahen Schichten gegettert wird. Dafür kommen beispielsweise insbesondere
durch Bor oder Phosphor hochdotierte Schichten in Frage oder auch oberflächennahe Schichten, deren Kristallaufbau
durch mechanische Bearbeitung stark gestört ist. Durch das Gettern verringert sich die Konzentration der Rekombinations-
Sind sowohl anöden- als auch kathodenseitig gleichmäßig getternde
Schichten vorhanden, so zeigt die Konzentration der Rekombinationszentren über die Dicke des Halbleiterkörpers ein
ü-förmiges symmetrisches Profil. Ist dagegen anodenseitig zum Beispiel durch eine geringere Störung der Oberfläche eine
schwächere Getterwirkung als kathodenseitig vorhanden, so liegt die Konzentration der Rekombinationszentren anodenseitig
höher als kathodenseitig und das erwähnte Profil wird unsymmetrisch.
Für manche Anwendungszwecke ist es erwünscht, eine Unsymmetrie
gezielt einzustellen, so daß sich ein definierter Gradient der Konzentration der Rekombinationszentren im Mittelgebiet ausbildet.
Unter "Mittelgebiet" soll dasjenige Gebiet im Halbleiterkörper
verstanden werden, das zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Profils, das heißt zwischen den Steilanstiegen
- 3 809837/0423
der Konzentration liegt. Die absolute Höhd der Konzentration
der Rekombinationszentren läßt sich durch die Menge der eindiffundierten Rekombinationszentren einstellen. Die Symmetrie
des Profils der Konzentration der Rekombinationszentren kann jedoch weder durch Steuerung der Menge der Rekombinationszentren
noch durch Steuerung der Diffusionsparameter beim Eindiffundieren der Rekombinationszentren reproduzierbar beeinflußt
werden.
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 Halbleiterbauelemente herstellen, die bei vorgegebenem DurchlaßSpannungsabfall entweder eine kleinere
Freiwerdezeit oder ein günstigeres Rückstromverhalten als Bauelemente mit symmetrischem Profil der Konzentration der Rekombinationszentren
haben.
Im Hauptpatent wurde vorgeschlagen, den genannten Gradienten
dadurch einzustellen, daß der anodenseitige Bereich des Mittelgebietes
in Bereichselemente mit unterschiedlich hoher Konzentration an Rekombinationszentren aufgeteilt ist und daß das
Verhältnis der Bereichselemente so eingestellt ist, daß im Mittelgebiet der anodenseitige Mittelwert der Konzentration
der Rekombinationszentren höher als der kathodenseitige Mittelwert ist.
insbesondere dann relativ hohe Sperrströme zu verzeichnen waren, wenn die gesamte Anodenseite in die genannten Bereichselemente aufgeteilt war.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Gattung so weiter-
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£ 77P 1024BRD
zubilden, daß der Sperrstrom verringert wird» ohne daß.sich
das Verhältnis von Freiwerdezeit zur Durchlaßspannung in unerwünschter Weise ändert.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nur ein Teil des Mittelgebietes
in die Bereichselemente aufgeteilt ist und daß der Rest dieses Bereichs eine Konzentration an Rekombinationszentren
aufweist, die niedriger ist als der durch die Aufteilung in Bereichselemente festgelegte Hittelwert der Konzentration.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:
für einen Thyristor
Fig. 2 die anodenseitige Aufsicht auf den gleichen Halbleiterkörper
eines Thyristors,
Dicke χ des Halbleiterkörpers, und Fig. 4 den Schnitt durch einen Halbleiterkörper, aus dem die
Aufteilung in die Bereichselemente und den Rest des Bereichs ersichtlich ist.
In Fig. 1 ist der Halbleiterkörper eines Thyristors mit 1. bezeichnet.
Er weist einen Emitter 2, eine Basis 3 und einen Hilfsemitter 4 auf. Der Emitter 2 und der Hilfsemitter 4 ist
der besseren Übersichtlichkeit halber schraffiert dargestellt. Der Emitter 2 ist mit Kurzschlüssen 17 versehen, von denen nur
einige eingezeichnet sind. In Fig. 2 ist der gleiche Halbleiterkörper von der Anodenseite her gezeigt. Die Anode ist mit 5
bezeichnet. Sie weist Bereichselemente 6 auf, in denen die Konzentration an Rekombinationszentren verglichen mit der Konzentration
an Rekombinationszentren der zwischen den Bereichs-
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^77 P 10 2 4 BRD
elementen 6 liegenden Bereichselemente 8 niedrig ist. Die Anode 5 weist außerdem Bereiche 7» 9 auf, die ebenso wie die Bereichselemente
6 eine relativ niedrige Konzentration an Rekombinationszentren haben. Der Bereich 9 liegt der kathodenseitigen
für die Steuerelektrode vorgesehenen Fläche und der Bereich 7 der zwischen Emitter 2 und Hilfsemitter 4 liegenden
Fläche gegenüber. Bei Thyristoren ohne Hilfsemitter kann der Bereich 7 entfallen. Die Bereiche 7, 9 sind gestrichelt gezeichnet.
Die Bereichselemente 6 und die Bereiche 7, 9 werden durch Getterschichten
hergestellt, die selbst eine hohe Konzentration von Rekombinationszentren erhalten, wodurch unterhalb der Getterschienten,
also besonders im Mittelgebiet, eine Verarmung an Rekombinationszentren eintritt. Die Bereichselemente 8 haben
eine vergleichsweise hohe Konzentration. Das Verhältnis der Größe der Bereichselemente 6, 8 zueinander legt einen Mittelwert
der Dotierungskonzentration fest, der in Fig. 3 dargestellt ist.
In Fig. 3 sind laterale Mittelwerte möglicher Konzentrationsverläufe an Rekombinationszentren C^ über die Dicke des Halbleiterkörpers
eines Thyristors aufgetragen. Dabei sind drei charakteristische Dotierungsprofile a, b und c dargestellt.
Zum besseren Verständnis ist dem Diagramm nach Fig. 3 ein vereinfachter
Schnitt durch den Halbleiterkörper mit den Zonen 2, 3, 4, 5 zugeordnet. Unter der Voraussetzung, daß die Anodenseite
und die Kathodenseite des Halbleiterkörpers gleich stark gegettert ist, ergibt sich ein im wesentlichen symmetrischer
Verlauf b der Dotierungskonzentration mit einer Konzentration Cp im Mittelgebiet M. Ist die kathodenseitige Außenzone 2 wesentlich
stärker gegettert als die anodenseitige Außenzone 5, so stellt sich ein Konzentrationsverlauf a ein. Dies ist im
wesentlichen immer dann der Fall, wenn die Zone 2 beispielsweise mit Phosphor oder Bor hoch dotiert wurde und die Zone 5
eine vergleichsweise geringe Konzentration an Dotierungsstof-
- 6 809837/0423
--?.- -<r- 77Ρ 10 2 4 BRD
fen enthält. Durch die Größe der Bereichselemente 6, 3 und der Bereiche 7, 9 auf der Anode des Halbleiterkörpers läßt sich
der Hittelwert des Gradienten der Dotierungskonzentration der
Rekombinationszentren im Halbleiterkörper einstellen. Damit kann die Freiwerdezeit oder auch das RUckstromverhalten eines
Halbleiterbauelements bei vorgegebenem Durchlaßwiderstand eingestellt werden.
spielsweise so herstellen» daß mittels eines bekannten Maskierungsverfahrens an denjenigen Stellen, an denen die genannten
Bereiche liegen sollen, Phosphor oder Bor in hoher Konzentration eindiffundiert wird. Phosphor- oder Borschichten mit hoher
Konzentration wirken, wie oben erwähnt, als Getterschichten,
so daß sich die Konzentration an Rekombinationszentren unterhalb der Getterschichten im Halbleiterkörper verringert.
Unter der Steuerelektrode und der zwischen Emitter und Hilfsemitter
liegenden Fläche sind vergleichsweise große Bereiche 7» 9 mit relativ niedriger Konzentration an Rekombinationszentren
entstanden. Dies ist deswegen günstig, weil kathodenseitig unter der Steuerelektrode und auf der Fläche zwischen
Emitter und Hilfsemitter kein Phosphor beziehungsweise Bor
eindiffundiert werden kann, das heißt relativ geringe Dotierungskonzentration herrscht, und daher die Getterwirkung kathodenseltig
sehr schwach und nur durch Störungen des Kristallaufbaus an der Oberfläche bestimmt ist. Ohne starke anodenseitige
Getterung würde daher unter den genannten kathodenseitigen Flächen eine hohe Konzentration von Rekombinationszentren entstehen, die eine Erhöhung des SperrStroms bewirken.
Es läßt sich somit zusätzlich zur Einstellung des Gradienten der Dotierungskonzentration an Rekombinationszentren eine Verringerung
des Sperrstroms, insbesondere unter der Steuerelektrode und unter der Fläche zwischen Emitter und Hilfsemitter
erreichen.
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In Flg. 4 1st ein Ausschnitt des Halbleiterkörpers nach den
Flg. 1 und 2 Im Schnitt gezeigt. Dieser Ausschnitt 1st In
Flg. 2 mit A bezeichnet. In dieser Darstellung sind schematisch die Bereichselemente 6 und die Bereiche 7, 9 relativ
schwacher Konzentration an Rekombinationszentren dargestellt. Diese verengen sich in Richtung auf die Kathode, durchdringen
den Halbleiterkörper jedoch vollständig, wenn die Breite der Bereichselemente beziehungsweise Bereiche in der Größenordnung
der Dicke des Halbleiterkörpers liegt. In Fig. 4 ist die Dicke des Halbleiterkörpers der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt,
in Wirklichkeit kann sie und die Breite der Bereichselemente zum Beispiel bei 500 /um liegen. Die Bereichselemente 8 relativ hoher Konzentration an Rekombinationszentren
liegen zwischen den Bereichselementen 6 beziehungsweise diesen und den Bereichen 7 beziehungsweise 9. Es ist deutlich,
daß der Halbleiterkörper insbesondere zwischen dem Emitter 2 und dem Hilfsemitter 4 sowie unter der Steuerelektrode 14 eine
niedrige Dotierungskonzentration hat. Diese herrscht auch im anodenseitigen Bereich des Mittelgebietes (M in Fig. 3), das
heißt am Sperr-pn-übergang zwischen den Zonen 4 und 5» so daß
die Sperrströme insbesondere dort und damit insgesamt wirksam herabgesetzt werden. Die Bereichselemente 6 und die Bereiche
7, 9 können zum Beispiel durch mit Phosphor oder Bor hochdotierte Zonen 11, 12, 13 erzeugt werden, deren Herstellung an
sich bekannt ist. Der Emitter 2 ist mit einer Emitterelektrode 16 und der Hilfsemitter 4 mit einer Hilfsemitterelektrode 15
verbunden. Anodenseitig wird eine Elektrode 17 beispielsweise mit Aluminium anlegiert. Sind die Zonen 11, 12 und 13 durch
Diffusion mit Phosphor erzeugt, was η-Leitfähigkeit hervorruft, so wird diese durch die Aluminiumlegierung überkompensiert,
so daß anodenseitig keine zusätzlichen pn-übergänge entstehen. Man könnte die stark dotierten anodenseitigen Zonen
aber auch zum Beispiel vor dem Kontaktieren mechanisch entfernen.
3 Patentansprüche - 8 -
4 Figuren
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Leers e »te
Claims (3)
1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit minde- -^' stens zwei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dessen Anode auf der ganzen Fläche mit einer Anodenelektrode
verbunden ist, mit Rekombinationszentren im Halbleiterkörper und mit mindestens einer die Rekombinationszentren getternden Schicht auf der Kathode, wobei von der
Anoden- und der Kathodenseite ein Abfall der Konzentration der Rekombinationszentren zu einem Mittelgebiet hin auftritt
und wobei das Mittelgebiet mindestens anodenseitig in Bereichselemente mit unterschiedlich hoher Konzentration
an Rekombinationszentren aufgeteilt ist und das Verhältnis der Bereichselemente so eingestellt ist, daß im Mittelgebiet
der anodenseitige Mittelwert der Konzentration der Rekombinationszentren höher als der kathodenseitige Mittelwert
ist, nach Patent (Anmeldung P 26 25 856.0)
dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des Mittelgebietes (M) in die Bereichselemente (6, 8)
aufgeteilt ist und daß der Rest (7, 9) dieses Bereichs eine Konzentration an Rekombinationszentren aufweist, die niedriger
ist als der durch die Aufteilung in Bereichselemente (6, 8) festgelegte Mittelwert der Konzentration.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Rest bei einem
Halbleiterkörper für einen Thyristor mit Steuerelektrode (14) der Steuerelektrode gegenüberliegt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Rest (7, 9) bei einem
Halbleiterkörper für einen Thyristor mit Steuerelektrode (14), Hilfsemitter (4) und Hauptemitter (2) der Steuerelektrode
und der Fläche zwischen Hilfs- und Hauptemitter gegenüberliegt.
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