DE2710701C3

DE2710701C3 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2710701C3
Application number: DE2710701A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. Dr. 8041 Haimhausen Platzoeder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-03-11
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1980-08-28
Also published as: CA1098218A; FR2383523A2; GB1598033A; JPS53112683A; JPS6016106B2; DE2710701A1; US4187517A; FR2383523B2; DE2710701B2

Description

seite in die genannten Bereichselemente aufgeteilt war.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, da/ϊ 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 äußeren anodenseitigen Bereichs des Mittelgebietes in die Flächenelemente aufgeteilt ist und daß der Rest dieses Bereichs eine Konzentration an Rekombinationszentren aufweist, die niedriger ist als der durch die Aufteilung in Flächenelemente festgelegte Mittelwert der Konzentration, und daß der Rest bei einem Halbleiterkörper für einen Thyristor mit Steuerelektrode der Steuerelektrode beziehungsweise bei einem Halbleiterkörper für einen Thyristor mit Steuerelektrode, Hilfsemitter und Hauptemitter der Steuerelektrode und der Fläche zwischen Hilfs- und Hjuptemitter gegenüberliegt -

In der DE-AS 14 89 087 ist bereits ein Thyristor beschrieben worden, bei dem zur Herabsetzung der Freiwerdezeit bei unveränderten Durchlaßeigenschaften entweder nur von der Kathodenseite her oder von der Kathoden- und Anodenseite her Rekombinations-Zentren eindiffundiert werden. Dieser Vorveröffentlichung läßt sich aber weder entnehmen, welchen Gradienten die Konzentration der Rekombinationszentren hat, noch an welchen Stellen die Flächenelemente anodenseitig angeordnet werden sollen.

Es ist zum Beispiel aus der DE-OS 21 40 993 auch bekannt, das Einschaltverhalten eines Thyristors ohne Veränderung des Sperrverhaltens durch eine gezielte Bemessung der Breite des Hilfsemitters zu verbessern. Über die gezielte Verteilung von Rekombinationszentren ist dieser DE-OS jedoch nichts zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Verbindung mit den F i g. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die kathodenseitige Aufsicht auf einen Halbleiterkörper für einen Thyristor

Fig.2 die anodenseitige Aufsicht auf den gleichen Halbleiterkörper eines Thyristors,

F i g. 3 den Verlauf Cr der Dotierungskonzentration über die Dicke χ des Halbleiterkörpers, und

F i g. 4 den Schnitt durch einen Halbleiterkörper, aus dem die Aufteilung in die Flächenelemente und den Rest des Bereichs ersichtlich ist.

In F i g. 1 ist der Halbleiterkörper eines Thyristors mit 1 bezeichnet. Er weist einen Emitter 2, eine Basis 3 und einen Hilfsemitter 18 auf. Der Emitter 2 und der so Hilfsemitter !8 ist der besseren Übersichtlichkeit halber schraffiert dargestellt. Der Emitter 2 ist mit Kurzschlüssen 17 versehen, von denen nur einige eingezeichnet sind. In Fi g. 2 ist der gleiche Halbleiterkörper von der Anodenseite her gezeigt. Die äußere anodenseitige Zone ist mit 5 bezeichnet. Sie weist Flächenelemente 6 auf, in denen die Konzentration an Rekombinationszentren verglichen mit der Konzentration an Rekombinationszentren der zwischen den Flächenelementen 6 liegenden Flächenelemente 8 .Υκ-iirig ist. Die Anode 5 weist außerdem Bereiche 7, 9 auf, die ebenso wie die Flächenelemente 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 18 liegenden Fläche gegenüber. Bei Thyristoren ohne Hilfsemitter kann der Bereich 7 entfallen. Die Bereiche 7,9 sind gestrichelt gezeichnet.

Die Flächenelemente 6 und die Bereiche 7,9 werden durch Getterschichten hergestellt, die selbst eine hohe Konzentration von Rekombinationszentren erhalten, wodurch unterhalb der Getterschichten, also besonders im Mittelgebiet, eine Verarmung an Rekombinationszentren eintritt Die Flächenelemente 8 haben eine vergleichsweise hohe Konzentration. Das Verhältnis der Größe der Flächenelemente 6, 8 zueinander legt einen Mittelwert der Dotierungskonzentration fest, der in F i g. 3 dargestellt ist

In Fig.3 sind laterale Mittelwerte möglicher Konzentrationsverläufe an Rekombinationszentren Cr 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 Halbleiterkörper gleich siark gegettert ist, ergibt sich ein im wesentlichen symmetrischer Verlauf b der Dotierungskonzentration mit einer Konzentration Ci 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 Dotierungsstoffen enthält Durch die Größe der Flächenelemente 6, 8 und der Bereiche 7, 9 auf der Anode des Halbleiterkörpers läßt sich der Mittelwert des Gradienten der Dotierungskonzentration der Rekombinationszentren im Halbleiterkörper einstellen. Damit kann die Freiwerdezeit oder auch das Rückstromverhalten eines Halbleiterbauelements bei vorgegebenem Durchlaßwiderstand eingestellt werden.

Die Flächenelemente 6 und die Bereiche 7, 9 lassen sich beispielsweise 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 grüße 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, daß heißt relativ geringe Dotierungskonzentration herrscht, und daher die Getterwirkung kathodenseitig 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.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt des Halbleiterkörpers

nach den F i g. 1 und 2 im Schnitt gezeigt. Dieser Ausschnitt ist in Fig.2 mit A bezeichnet. In dieser Darstellung sind schematisch die Flächenelemente 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 Flächenelemente 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 Flächenelemente zum Beispiel bei 500 μπι liegen. Die Flächenelemente 8 relativ hoher Konzentration an Rekombinationszentren liegen zwischen den Flächenelementen 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 (Min Fig.3), das heißt am Sperr-pn-Übergang zwischen den Zonen 4 und 5, se daß die Sperrströme insbesondere dort und damit insgesamt wirksam herabgesetzt werden. Die Flächenelemente 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

ίο 16 und der Hilfsemitter 18 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 n- Leitfähigkeit hervorruft, so wird diese durch die

is 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1) mit mindestens zwei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dessen äußere anodenseitige Zone (5) 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 (M) hin auftritt und der Halbleiterkörper anodenseitig in Flächenelemente (6, 8) mit unterschiedlich hoher Konzentration an Rekombinationszentren aufgeteilt ist, wobei der äußere anodenseitige Bereich des Mittelgcbietes dui ch Einstellung des Verhältnisses der Flächenelemente so in die Flächenelemente aufgeteilt ist, daß im Mittelgebiet der anodenseitige Mittelwert der Konzentration der Rekombinationszentren höher als der kathodenseitige Mittelwert ist, nach Patent 26 25 856, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des äußeren anodenseitigen Bereichs des Mittelgebietes (M) in die Flächenelemente (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 Flächenelemente (6, 8) festgelegte Mittelwert der Konzentration, und daß der Rest (7, 9) bei einem Halbleiterkörper für einen Thyristor mit Steuerelektrode (14) der Steuerelektrode beziehungsweise bei einem Halbleiterkörper für einen Thyristor mit Steuerelektrode (14), Hilfsemitter (4) und Hauptemitter (2) der Steuerelektrode und der Fläche zwischen Hilfs- und Hauptemitter gegenüberliegt.

Die vorliegende Erfindung 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 aufgeteilt ist, wobei 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 kathodenseitige Mittelwert ist, nach Patentanmeldung 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 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 Rekombinationszentren im Halbleiterkörper unterhalb der Getterschichten. Sind sowohl anöden- als auch kathodenseitig gleichmäßig getternde Schichten vorhanden, so zeigt die Konzentration der Rekombinationszentren über die Dicke des Halbleiterkörpers ein U-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 der Konzentration liegt. Die absolute Höhe 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 Rekombinationr.zentren 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 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 kathodenseitige Mittelwert ist.

Es wurde nun festgestellt, daß bei einer solchen Anordnung insbesondere dann relativ hohe Sperrströme zu verzeichnen waren, wenn die gesamte Anoden-