DE2727487C2

DE2727487C2 - Halbleiterbauelement mit hoher Durchbruchsspannung

Info

Publication number: DE2727487C2
Application number: DE2727487A
Authority: DE
Inventors: Michael Stuart Schenectady N.Y. Adler; Victor Albert Keith Elnora N.Y. Temple
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1977-06-18
Publication date: 1985-05-15
Also published as: JPS538069A; FR2356276A1; DE2727487A1; NL180265B; FR2356276B1; NL180265C; JPS5639057B2; NL7706389A; SE7707190L

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Seit langem besteht das Bedürfnis, die Durchbruchsspannung von pn-Übergängen über diejenigen Werte

hinaus zu erhöhen, die normalerweise bei den groben Technologien der Fertigung von Übergängen erzielbar sind. So ist es z. B. bekannt, daß riie Durchbruchsspannung eines pn-Übergangs durch Abschrägung der Kanten des Überganges erhöht werden kann. Es wurden sowohl positive als auch neg&iive Abschrägwinkel verwendet, wobei die Erhöhung in der Durchbruchsspannung je nach verwendetem Verfahren in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Faktoren variiert. In der US-PS 34 91 272 ist die Verwendung eines negativen Abschrägungswin-

kels zur Erhöhung der Durchbruchsspannung eines pn-Übergangs angegeben, wobei die Erhöhung der Durchbruchspannung dadurch erfolgt, daß die elektrischen Felder an der Oberfläche verringert werden. Zu einer bestimmten Zeit wurde geglaubt, daß ein optimaler Abschrägungswinke! existiert, der zu etwa 6° angenommen wurde. Es hat sich in der Zwiscnenzeit gezeigt, daß verringerte Abschrägungswinkel zu Bauelementen führen, die allgemein eine höhere Durchbruchsspannung besitzen, und daß daher ein Zusammenhang zwischen dem Verlust an Fläche des Bauelements und erhöhter Durchbruchsspannung gegeben ist. Es wäre natürlich wünschenswert, die vorteilhaften Wirkungen eines negativen Abschrägungswinkels ohne den entsprechenden Verlust an Fläche des Bauelements zu verwirklichen.

Von Bakowski und Lundstrom wurde in der Veröffentlichung »Depletion Layer Characteristics at the Surface of Beveled High-Voltage PN Junctions«, aus IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. E^-20, No. 6, Juni 1973, auch beschrieben, positive Abschrägungswinkel zu verwenden. Der positive Abschrägungswinkel oder Schrägschliff liefert Ergebnisse, die sich der idealen Durchbruchsspannung von pn-Übergängen nähern, die jedoch eine wesentlich kleinere Fläche als negativ? Abschrägungswinkel erzeugen. Sowohl die Verwendung negativer als auch positiver Abschrägungswinkel macht einen mechanischen Schleifschritt bei der Herstellung des Bauelements erforderlich, wobei dieser Schleifschritt eine wesentliche Abweichung von der normalen Elementefabrikation darstellt und zur Verwirklichung teure Ausrüstungen erfordert. Darüber hinaus zerstören mechanische Verfahren die Qualität und Güte der Oberfläche des Bauelements und erfordern oftmals zusätzliche Ätzschritte, die den mechanischen Bearbeitungsschritten nachfolgen, um die reguläre Oberfläche des Bauelements wieder herzustellen. Es ist daher wünschenswert, die zur Zeit entweder durch einen positiven oder negativen Schrägschliff der Bauelementskanten erzielbaren Ergebnisse durch Verfahren zu erzielen, bei denen t 50 kein mechanischer Schleifvorgang erforderlich ist.

Die genannten Verfahren sind auf Bauelemente mit ebenen Übergängen anwendbar, wobei die Bauelemente groß oder klein sein können. Planare pn-Übergänge erforderten etwas unterschiedliche Verfahren, um zu erreichen, daß die Durchbruchsspannungen die theoretischen Werte erreichen. Im allgemeinen wurde eine Grabenätzung verwendet, die die gekrümmten Bereiche des Übergangs beseitigt und einen Übergang erzeugt.

der hinsichtlich seiner Geometrie einem ebenen Übergang ähnlich ist. Durch dieses Verfahren lassen sich typischerweise 60 bis 80% der idealen Durchbruchsspannung erzielen.

Aus der DE-AS 12 76 207 ist ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Dicke der oberen Halbleiterschicht randseitig stark verringert ist, um die Durchbruchsspannung aufgrund der dabei erzielbaren Verringerung der Oberflächenfeldstärke auf höhere Werte anzuheben. Hierbei werden für die Dicke der abgeflachten Randschicht insbesondere Werte für vorteilhaft erachtet, die in etwa der Ausdehnung der Raumladungszone bei der halben Durchbruchsspannung entsprechen. Beim praktischen Betrieb des bekannten Halbleiterbauelements hat sich jedoch gezeigt, daß die erzielbare Durchbruchspannung trotz erheblicher Verringerung der Oberflächenfeldstärke dennoch weit unterhalb der im idealen eindimensionalen Fall möglichen Durchbruchspannung liegt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des neuen Patentanspruchs 1 zu schaffen, das sich durch sehr hohe Durchbruchspannung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Mitteln gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die bekannte randscitige Abflachung des Halbleiterbauelements

bis weit in den bei Durchbruchspannung auftretenden Raumladungszonenbereich hinein keineswegs ausreichend ist für eine Erzielung hoher Durchbruchspannungen. Dies rührt daher, daß es im Gegensatz zu der der DE-AS 12 76 207 entnehmbaren Lehre nicht auf die verbleibende Schichtdicke an sich, sondern vielmehr auf die Größe der bei der Abtragung des Randbereichs entfernten Ladungsmenge (im Verhältnis zur Gesamtladungsmenge in diesem Bereich) als grundlegendes Kriterium ankommt. Bei der randseitigen Abtragung der Halbleiterschicht bis in den bei Durchbruchspannung vorhandenen Raumladungszonenbereich werden nämlich im Bereich der inneren Begrenzungsfläche des abgetragenen Bereichs zusätzliche Ladungsträger im Halbleiterkörper selbst angehäuft, deren Menge in direktem Zusammenhang mit der Menge der ansonsten im abgeätzten Raumladungsionenbereich vorhandenen Ladungsmenge steht. Wenn somit entsprechend der Lehre der DE-AS 12 76 207 randseitig ein erheblicher Anteil der Raumladungszone abgetragen wird, so sammeln sich dementsprechend viele Ladungsträger im Halbleiterkörper selbst — und zwar, wie bereits ausgeführt, im Bereich der innenseitigen Begrenzungsfläche des abgetragenen Bereichs — an, wodurch sich der nachteilige Effekt einer partiellen erheblichen Feldstärkenerhöhung im Halbleiterkörper ergibt, die derart hoch ist, daß schon bei relativ Ii geringen von außen angelegten Spannungen in diesem Bereich die kritische Feldstärke überschritten wird.

Damit kann bereits bei diesen geringen Spannungen ein Lawinendurchbruch stattfinden, der sich über das gesamte Halbleiterbauelement ausbreitet, so daß das bekannte Bauelement für hohe Betriebsspannungen ungeeignet isL

Demgegenüber beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß sich die Durchbruchspannung wesentlich erhöhen läßt, wenn dafür Sorge getragen wird, daß die sich im Halbleiterkörper aufgrund der Abflachung zusätzlich ansammelnde Ladungsmenge auf einen sehr geringen Wert gehalten wird.

Der überraschende Fortschritt der sich mit dem Anmekäungsgegenstand in bezug auf den aureh die DE-AS 12 76 207 gegebenen Stand der Technik errclen läßt, soll im folgenden kurz anhand des in der DE-kS 12 76 207 angeführten Zahlenbeispiels erläutert werden. Bei diesem Bauelement ist einer der beiden durch Galliumdiffusion mit einer Tiefe von ca. 100 μιη erzeugten p-leitenden Bereiche an seinem Randbereich bis auf eine Schichtdicke von ungefähr 10 bis 15 μπι abgetragen. Da das Ladungsträgerprofil im diffundierten Bereich exponentiell von der Oberfläche her abnimmt, sind bei den angegebenen Abmessungen ungefähr 91% der Gesamtmenge von Ladungsträgern entfernt, so daß lediglich 9% in der verbleibenden Schicht noch vorhanden sind. Wie von der Anmelderin durchgeführte Computeruntersuchungen ergaben, ergibt sich bei einem derartigen Bauelementaufbau eine Durchbruchspannung von ungefähr 2000 Volt, was sogar noch unterhalb des in der DE-AS 12 76 207 angegebenen Werts von 2500 Volt und weit unterhalb der im Idealfall erzielbaren Durchbruchspannung von 3600 Volt liegt. Im Gegensatz hierzu wird bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement, wie bereits ausgeführt, nicht auf die verbleibende Schichtdicke, sondern vielmehr auf die abgeätzte Ladungsmenge abgestellt, womit sich nahe bei dem idealen Wert liegende Durchbruchspannungen auf einfache Weise erzielen lassen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

In den Figuren zeigt

F i g. 1 ein Halbleiterbauelement mit ebenem Halbleiterübergang, bei dem sich die abgeflachte Zone in der stark dotierten Schicht befindet; F i g. 2 ein analoges Halbleiterbauelement mit planarem Übergang:

F i g. 3 ein Halbleiterbauelement mit ebenem Obergang, der die abgeflachte Zone in der schwach dotierten Schicht aufweist;

F i g. 4 ein analoges Halbleiterbauelement mit planarem Übergang;

F i g. 5 die Gestalt der Verarmungszonen in dem Halbleiterbauelement nach F i g. 1 mit ebenem übergang;

F i g. 6 die Gestalt der Verarmungszonen bei einem Übergang mit negativem Schrägschliff gemäß dem Stand der Technik;

F i g. 7 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Spitzenwert des elektrischen Feldes an der Oberfläche und der Ätztiefe in den Bauelementen nach den F i g. 1 und 2:

F i g. 8 eine graphiscne Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Ätztiefe und der Lawinendurchbruchsspannung für die Bauelemente nach den F i g. 1 und 2;

F i g. 9 eine Struktur, die zwei Bauelemente auf einem einzigen Substrat enthält;

F i g. 10 eine alternative Struktur, die zwei Bauelemente auf e'-,em einzigen Substrat enthält, wobei die beiden Bauelemente sich in einen Kontakt teilen;

F 1 g. 11 eine Struktur, bei der zwei planare Bauelemente auf einem einzigen Substrat angeordnet sind:

Fig. 12 ein planares Bauelement, bei dem eine doppelte, abgeflachte Zone in der schwach dotierten Halbleitcrschicht vorgesehen ist;

Fig. 13 ein Bauelement mit ebenem Übergang, bei dem eine doppelte, abgeflachte Zone in der stark dotierten Schicht vorgesehen ist;

Fig, 14 ein dem Bauelement nach Fig. 13 analoges Bauelement mit der abgeflachten Zone in der schwach dotierten Halbleiterschicht;

Fig. 15 ein der Fig. 13 analoges planares Bauelement und

Fig. 16 ein Bauelement mit drei Schichten.

In Fig. 1 ist der Randteil eines Halbleiterbauelements 20 dargestellt. Das Bauelement 20 enthält eine erste Halbleitcrschichi 22 und eine zweite Halbleiterschicht 24 einander entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, wobei z. B. die Schicht 22 vom p-Typ und die Schicht 24 vom n-Typ sein soll. Es sei darauf hingewiesen, daß die p- und die n-Halbleitermaterialien vertauscht werden können, sofern nicht Anderweitiges ausgeführt ist. Bei dem in F i tr. 1 darecstellten Bauelement ist die p-Halbleiterschicht 22 schwächer mit Verunreinigungsatomen dotiert als

das η-Material 24. Die Schicht 24 wird daher als stark dotierte Schicht bezeichnet, während die Schicht 22 entsprechend als schwach dotierte Schicht bezeichnet ist. Diese Anordnung stark und schwach dotierter Schichten wird üblicherweise bei den Übergängen von Halbleiterbauelementen verwendet, sie wird insbesondere dann verwendet, wenn die Schicht 22 z. B. eine Substratschicht ist und die Schicht 24 durch Diffusion von Verunreinigungsatomen in das Substrat 22 erzeugt ist. Fig. 1 zeigt lediglich einen Teil des Bauelements 20, wobei das tatsächliche Bauelement sich über die gebrochene Grenzlinie 26 erstreckt. Die Halbleiterschicht 24 enthält eine Zone 28, die relativ dünner als die restliche Zone 24 ist. Die Zone 28 erstreckt sich um die gesamte Peripherie des scheibenförmigen Halbleiterkörpers des Bauelements. Es ist nicht erforderlich, daß der Halbleiterkörper rund oder anderweitig symmetrisch ausgebildet ist, es wird nur gefordert, daß die relativ dünne Zone 28 die gesamte

ίο Peripherie des Halbleiterkörpers unabhängig von ihrer Gestalt oder Geometrie umgibt. Derartige Bauelemente besitzen typischerweise eine regelmäßige geometrische Gestalt, so z. B. insbesondere eine kreisförmige Gestalt. Die relativ dünne Zone 28 ist durch eine Dicke Y und eine Breite X gekennzeichnet. Die zusätzliche Dicke der Halbleiterschicht 24 über die Dicke Y der relativ dünnen Zone hinaus ist mit Ye bezeichnet. Die relativ dünne Zone 28 besitzt bevorzugt eine Gestalt, die von der Herstellung der Zone durch einen Ätzvorgang resultiert.

Dabei kann zuerst ein Übergang ohne eine relativ dünne Zone hergestellt werden, wie das z. B. der Fall ist, wenn die Oberfläche 30 der Schicht 24 sich bis zur Kante 32 des Bauelements erstreckt; anschließend wird dann die Entfernung der Dicke VV der Schicht durch einen Ätzvorgang vorgenommen.

F i g. 2 zeigt eine dem Bauelement 20 nach F i g. 1 analoges Bauelement mit der Ausnahme, daß eine planarc Struktur dargesieiii ist. Ein Substrat 32, das, wie in Verbindung mit asr Anordnung 20 erläutert, aus schwach dotiertem p-Material besteht, besitzt eine stärker dotierte η-Schicht, die über dem Substrat 32 liegt. Bequemerweise kann, in Übereinstimmung mit bekannten Prinzipien, die n-Schicht 34 durch Diffusion in die p-Schicht 32 hergestellt werden. Dieses Verfahren wird vielfach bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen kleiner Leistung verwendet Die Abmessungen X. Yund Ye betreffen, wie in Fig. !,denjenigen Teil der stark dotierten, η-leitenden Zone 34, der von dem Bauelement entfernt wurde.

Wie schon in F i g. 1 ist lediglich ein Teil des gesamten Bauelements in F i g. 2 dargestellt. Ferner können die Schichten 32 und 34 die obersten Schichten einer Vielschichtanordnung, z. B. eines Transistors, eines Thyristors oder eines Triacs sein, was dem Fachmann geläufig ist.

Ein Bauelement gemäß einem weiteren Auführungsbeispiel /wr Erfindung ist in Fig.3 dargestellt. Das Bauelement 40 enthält eine relativ stark dotierte Halbleiterschicht 42 und eine relativ schwach dotierte Schicht

44. Die Schicht 44 stellt das Substrat des Bauelements dar. und die Schicht 42 ist auf dem Substrat durch Diffusion, Epitaxie oder durch igendein anderes beliebiges Verfahren aus einer Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen hergestellt. Der Übergang 46 ist an der Grenzschicht zwischen den beiden Schichten vorhanden. Eine erste und eine zweite Elektrode 48 und 50 sind auf der oberen und der unteren Oberfläche dieses Bauelements dargestellt und können geeignet verwendet werden, wobei das Bauelement nach F i g. 3 eine Diode darstellt und weitere Schichten nicht betrachtet werden. Wie bei den Bauelementen nach den Fig. 1 und 2 kann das Bauelement 40 lediglich ein Teil einer Vielschichtanordnung darstellen, sofern dies gewünscht ist. Das Bauelement 40 eruhält eine relativ dünne Zone in dem sehwach dotierten Substrat. Die Zone 52 ist durch die Dicke Y_s und die Breite .Yf definiert, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist. Das Maß Y_E stellt das Maß des entfernten Materials dar und ist eine geeignete Größe, wobei die Zone 52 bevorzugt durch Abätzen des Materials von dem auf herkömmliche Weise erzeugten Bauelement hergestellt wird.

Das analoge planare Bauelement zum Bauelement nach Fig.3 ist in Fig.4 dargestellt. Das leicht dotierte Substrat 54 weist eine stärker dotierte Schicht 56 auf, wobei diese Schicht bequemerweise durch Diffusion von einer Quelle von Verunreinigungsatomen in das Substrat 54 erzeugt worden sein kann. Die elektrischen Kontakte 58 und 60 können bequemerweise so angeordnet sein, wie in F i g. 4 dargestellt ist, sofern das Bauelement in F i g. 4 als Diode verwendet wird. Anderenfalls gilt für dieses Bauelement ebenfalls die in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 durchgeführte Diskussion bezüglich der Verwendung dieser Struktur als Teil einer komplexeren Anordnung. F i g. 4 enthält eine relativ dünne Zone 62 im Substrat 54, wobei diese Zone durch die Tiefe Ys definiert ist, wobei diese Tiefe der Abstand zwischen der unteren Grenze 64 der stark dotierten Schicht 56 und der Oberfläche des Substrats 54 in der relativ dünnen Zone ist. Weiterhin ist die Zone 62 durch die Breite Xe und den Abstand X definiert, wobei der Abstand X die Überlappung zwischen der Schicht 56 und der Zone 62 angibt. Wiederum ist trie Größe Ye verwendet, um kontinuierlich die Dicke des Materials zu bezeichnen, das während eines Ätzschrittes entfernt wurde, um die Zone 62 herzustellen.

Das Verhalten der beschriebenen Halbleiterbauelemente, wenn der pn-übergang in Sperrichtung vorgespannt wird, wird unter Bezugnahme auf die F i g. 5 und 6 erläutert, in denen die Grenzen der Verarmungszonen dargestellt sind. Zur Erhöhung der Durchbruchsspannung muß der Spitzenwert des elektrischen Feldes an der Oberfläche unter einen kritischen Durchbruchswert reduziert werden. Allgemein erfolgt der Durchbruch von Halbleiterbauelementen der beschriebenen Art als Ergebnis eines Oberflächendurchbruchs und weniger als Ergebnis eines Durchbruchs im Halbleiterkörper. Durch Abgleich der elektrischen Felder an der Oberfläche und im Halbleiterkörper kann die Durchbmchsspannung des Bauelements maximieri werden. Bekanntlich sind die Spitzen felder Emit der angelegten Spannung Vdurch die Gleichung

V = J-E-dx

verknüpft Es wird angestrebt, die elektrischen Spitzenfeldstärken auf ein Minimum zu reduzieren und folglich die Pfadlängen zu erhöhen, um eine spezielle Spannung zu erzielen. Diese Reduktion der Oberflächenspitzenfeldstärken wird durch Verringerung der Verarmungsladung, die_an einer oder beiden Seiten des Übergangs in der Nachbarschaft des Punktes gespeichert wird, an dem der Übergang die Oberfläche schneidet Auf diese Weise wird die Pfadlänge in der Nachbarschaft des Schnittpunkts des Übergangs mit der Oberfläche erhöht und

die Spitzenfeldstärke an der Oberfläche dadurch reduziert.

F i g. 5 enthält eine leicht dotierte Schicht 65, eine stärker dotierte Schicht 66 und einen Übergang 68 /.wischen diesen Schichten. Eine relativ dünne Zone 70 ist in der Schicht 66 vorgesehen und besitzt die in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Eigenschaften. Es wird angenommen, daß die Schicht 66 eine Schicht vom p-Leitfähigkeitstyp darstellt, während die Schicht 64 eine Schicht vom n-Leitfähigkeitslyp ist. Die Grenze 72 stellt in einem eindimensionalen Fall die Stelle der obersten Grenze der Verarmungszone in der p-Halbleiterschicht 66 dar, d. h. für den Fall, wenn die Zone 70 nicht vorgesehen ist. Wie dem Fachmann geläufig ist, hängt die Position der GreiWit 72 von einer Anzahl von Faktoren ab, wie z. B. der angelegten Spannung, der Verunreinigungskonzentration und dem Dotierungsprofil, wobei noch weitere Faktoren eine Rolle spielen. In ähnlicher Weise gibt die Grenze 74 die Grenze der Verarmungszone in der n-Schicht 64 unter denselben Bedingungen an, d.h. der Übergang ist ein eindimensionaler Übergang. Die Grenzen 76 und 78 geben die tatsächlichen Grenzen der Verarmungszonen in den p- und η Halbleiterschichten an.

Durch Vergleich der Grenzen der relativ dünnen Zone 70 mit der Grenze der Verarmungszone im eindimensionalen Fall läßt sich erkennen, daß ein Teil der p-Schicht 66. der normalerweise verarmt wäre, entfernt wurde. Die Ladungsmenge, die daher wieder verteilt werden muß, ist mit Qr bezeichnet. Diese Änderung in der Ladung wird durch eine Überschußladung Qn ausgeglichen, die außerhalb des Bereichs gespeichert ist, der außerhalb des Bereichs liegt, der die Verarmungszone gebildet hätte, die Änderung der Ladung wird ferner durch die Ladung Qi ausgeglichen, die die Ladungsänderung auf Grund der Verschiebung der Grenze 78 der Verarmungszone von ihrer eindimensionalen Position bei 74 repräsentiert. Es sei darauf hingewiesen, daß ein direkter Vergleich der Flachen von Qk. Qh und Ql nicht möglich ist, da die Verunreinigungskonzentration in der oberen Schicht 66 größer ist. Da die Ladung jedoch erhalten bleibt, wird die der Fläche Qr entsprechende Ladung durch die Summe der durch Qn und Qi repräsentierten Änderungen ausgeglichen. Qr ist positiv, während sowohl Qn und Qi negativ sind, so daß die Summe der drei Ladungsmengen Null ist. Die Größe von Qi. stellt den Hauptbeitrag zur Größe des elektrischen Felds an der Oberfläche in der Nähe des Punktes 82 dar. wobei das Feld kleiner wird, wenn Qi zunimmt. Am Schnittpunkt zwischen Übergang 68 und Oberfläche 80, der als Punkt 82 bezeichnet wird, ist das elektrische Feld auf ein Minimum zurückgeführt, wenn Ql maximal ist. Es hat sich gezeigt, daß Qr und Ql tatsächlich nicht gleich sind und daß Qh dafür einen gewissen endlichen Wert besitzt. Qh kann als Überschußladung betrachtet werden, und je größer die Größe dieser Ladung ist, und je kleiner der Abstand zwischen Qn und dem Übergang 68 ist, um so höher ist das Feld im Körper des Bauelements und insbesondere in der Nachbarschaft vom Punkt 84. Dies läßt sich leicht erkennen, wenn bedacht wird, daß die Anzahl der den Übergang in der Nachbarschaft von Qn kreuzenden zusätzlichen Feldlinien um so größer wird, je höher der Wert von Qh ist. Es ist daher wünschenswert, Qn soweit wie möglich, idealerweise auf den Wert Null, zu reduzieren. Wenn Qh als Null angesehen wird, dann gilt Qr = Ql. der Spitzenwert des Felds an der Oberfläche ist in seiner Größe reduziert, und die Spitzenfeldstärke im Halbleiterkörper wird gegenüber dem eindimensionalen Fall nicht erhöht.

Die Größen von Qn. Qr und Ql lassen sich folgendermaßen abschätzen. Qr läßt sich mit Genauigkeit durch Berechnung der bei einem eindimensionalen Übergang vorliegenden Ladungsvcrteuung und durch anschließende Betrachtung der tatsächlichen Geometrie des Übergangs bestimmen. Nachdem Qr bestimmt ist, sind Oh p'us Ql bekannt, da sie gleich groß Qr sind, und es ist lediglich erforderlich, die Aufteilung der Ladung auf die zwei Bereiche festzustellen. Es wurde festgestellt, daß Qn sich in der Nähe des Punktes 84 im normalerweise nicht ■<-, verarmten Gereich der stark dotierten Schicht anhäuft. Man wird erwarten, daß sich Ql verteilt, wie das in F i g. 5 dargestellt ist, wobei Qi. an der eindimensionalen Verarmungsgrenze 74 im wesentlichen wie dargestellt beginnt. Die ungefähren Werte von Qn und Ql lassen sich durch die Annahme bestimmen, daß derjenige Teil von Qr innerhalb einer Entfernung D vom Punkt 84 Qn umfaßt. D stellt den Ladungskoppelabstand für das Bauelement dar und läßt sich in bequemer und geeigneter Weise als die Summe der Breiten der Verarmungszonen in den Halbleiterschichten 66 und 64 bei der gewünschten Durchbruchsspannung abschätzen.

Fig. 6 zeigt die in Verbindung mit Fig. 5 genannten Bereiche bei einem Halbleiterübergang mit negativem Schrägschliff bekannter Art. Das Bauelement 86 enthält eine relativ leicht dotierte Schicht 88 vom n-Leitfähigkcitstyp und eine relativ stark dotierte Schicht 90 vom p-Leitfähigkeitstyp. Es sei bemerkt, daß sowohl die leicht dotierte als auch die stark dotierte Schicht in einfacher Weise ausgetauscht werden können, ebenso wie die Verunreinigungskonzentrationen des p-Typs und des η-Typs austauschbar sind. Die Position der Grenzen der Verarmungszonen im eindimensionalen Fall sind dieselben wie in dem in Verbindung mit F i g. 5 erläuterten Fall, und folglich sind die Grenzen 72 und 74 der F i g. 6 mit den den entsprechenden Grenzen der F i g. 5 entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Gestalt der stark dotierten p-Halbleiterschicht 90 weicht von derjenigen der Schicht 66 nach Fig.6 insoweit ab, als eine negative Abschrägung mit der Oberfläche 91 vorgesehen ist Wiederum stellt der Punkt 82 den Schnittpunkt des Übergangs mit der Oberfläche des Bauelements dar, und Punkt 84 stellt den Schnittpunkt der eindimensionalen Verarmungsgrenze in der stark dotierten Schicht mit der Oberfläche des Bauelements dar. Qr ist die durch die negative Abschrägung entfernte Ladung, während Ql und Qn die wiederverteilten Ladungen sind, die Qr kompensieren. Die neuen Grenzen 92 und 94 der Verarmungszonen in den schwach bzw. stark dotierten Bereichen sind die Grenzen bei derselben Spannung, die zur Festlegung der eindimensionalen Grenzen 72 und 74 venvendet wurde. Als Abschrägungswinkel des Bauelements 86 kann der Winkel zwischen der Oberfläche 91 und dem pn-übergang % betrachtet werden, der als ä bezeichnet ist. Für relativ kleine Winkel ist Qr umgekehrt proportional zur Größe des Winkels. Wird daher α reduziert, so nimmt Qr zu, und die Spitzenfeldstärke an der Oberfläche wird reduziert. Derjenige Teil von Qr innerhalb des Ladungskoppeiabsiandes D des Punkts 84 wird jedoch für kleine Winkel « reduziert Ais Ergebnis ergibt sich, daß Qh und daher die Spitzenfeldstärke im Halbleiterkörper in der Nähe des Punkts 84 verringert ist. Obwohl aus diesen Gründen ein negativ abgeschrägter Übergang ein gutes Durchbruchsverhalten liefert, benötigen die zur Erzielung eines guten Verhaltens erforderlichen kleinen Abschrägungswinkel eine große Fläche des Bauelements zu

seiner Realisierung, und sie erfordern einen mechanischen Schritt bei der Herstellung des Bauelements, der die Herstellungskosten erhöht. Bei den beschriebenen Halbleiterbauelement mit abgeflachter Zone werden Ergebnisse erzielt, die den mit negativen Abschrägungswinkeln erzielbaren Ergebnissen mindestens gleichwertig sind, wobei jedoch die Nachteile des Bauelements mit Abschrägungswinkeln vermieden werden.

Die F i g, 1 und 2 zeigen zusammen mit F i g. 5 Halbleiterbauelemente mit auf der stark dotierten Seite ebenen und planaren pn-Übergängen. Eine Betrachtung der Fig. 1 zusammen mit Fig.5 wird nun eine Beschreibung der Eigenschaften des relativ dünnen Teils der stark dotierten Halblciterschicht ermöglichen. Es sei daran erinnert, daß der Abstand Ydie Dicke der stark dotierten Schicht in der relativ dünnen Zone darstellt. Sofern Y nicht größer als der Abstand zwischen der Verarmungsgrenze 72 und dem pn-Obergang 68 gewählt wurde, wobei dieser Abstand im folgenden als Wn bezeichnet wird, und die entsprechende Breite der Verarmungszone in der schwach dotierten Seixe als VKi. bezeichnet wird, so ergäbe sich keine Verringerung des Spitzenwerts des Feldes auf der Oberfläche des Bauelements. Es folgt daher, daß Y kleiner als Wh sein muß, damit Qr eine von Null verschiedene Größe wird. Die Breite der relativ dünnen Zone, X, wird mindestens gleich der halben Summe der Verannungsweiten Wh und Wl, also gleich dem halben Wert des obengenannten Ladungskoppelabstands D gewählt. Bei konventionellen Übergängen ist üblicherweise Wl wesentlich größer als Wn, und der Wert von D ist ungefähr gleich dem halben Wert von W_L. Mit zunehmendem X lassen sich verbesserte Eigenschaften auf Kosten einer gewissen Größe der Bauelementfläche erzielen. Es hat sich gezeigt, daß ein Wert von X, der ungefähr gleich dem Wert IVj.. d. h. dem doppelten Koppelabstand ist, ein Bauelement liefert, das verbesserte Eigenschaften aufweist, ohne daß eine übergroße Fläche für die relativ dünne Zone aufgewendet würde. Ein Vergleich der F i g. 5 und 6 offenbart einen zusätzlichen Vorteil. Die Gestalt eines negativ abgeschrägten Übergangs ergibt einen Wert der Ladung Qr, der größer als notwendig ist, das Oberflächcnspitzcnfcld in der Nachbarschaft des Punktes 82 unterhalb des kritischen Werts zu reduzieren. Tatsächlich wird der Wert der Oberflächenspitzenfeldstärke am Punkt 82 typischerweise nahezu auf den Wert Null reduziert, und die Spitzenwerte im Halbleiterkörper und der Oberfläche werden in der Nähe von Qn gefunden. Die anhand der Fig. 5 erläuterte Gestalt ermöglicht eine im wesentlichen unabhängige Steuerung der Werte Q/i und Qi, so daß sich die Oherflik-henspit/enfcldstiirke unterhalb ihres kritischen Wem verringern Hißt, während jjleidi/ciii}! der Spit /iMiweri der l^;i*UlM;trki' im ! lalhleili'rk(U'|U'i' mehl wesentlich eilmhl win!.

Zum Auf/eigen der Vorteile eines Halbleiterbauelements der in l-'ig. 1 dargestellten Art gegenüber einem Halbleiterbauelement nach F i g. 6 mit negativem Schrägschliff wurden Berechnungen vorgenommen. Es wird angenommen, daß die Bauelemente mit einem dielektrischen Belag mit ε = 4 und einer Dicke von 5,1 χ ! 0 - -' cm bedeckt sind. Die Durchbruchsspannung wurde unter Verwendung der Lawinen-Multiplikatorfaktoren von VanOverstraeten und DeMan berechnet, die in der Zeitschrift »Solid State Electronics«, herausgegeben im Pergamon Press-Verlag, 1970, Band 13, S. 583 bis 608 (England) veröffentlicht sind. Die Berechnungen, deren Ergebnisse angegeben werden, wurden gemäß dem Verfahren durchgeführt, das in dem Aufsatz »Theoretical Basis for Field Calculations on Multi-Dimensional Reverse Biased Semiconductor Devices« von Adler et al, General Electric Company Technical Information Series Report, 75CRD149.Schenectady, New York. Juli 1975. dargestellt ist.

Es werden fünf Beispiele behandelt, (1) stellt ein Bauelement mit einem negativen Abschrägungswinkcl von sechs Grad dar, (2) ist ein ideales Bauelement, (3) ist ein Bauelement gemäß F i g. 1 und 5. bei dem Vgleich etwa 4,5 10-³cm ist, (4) ist ein Bauelement nach den Fig. 1 und 5, bei dem V = 5.25χ 10-^Jcm ist. und (5) ist ein Bauelement nach den Fig. 1 und 5, bei dem Y = 5,75χ 10-³cm ist Das kritische elektrische Feld, bei dem Oberflachen-Lawinendiirchbruch stattindet, beträgt etwa 1,36 χ 10⁵ V/cm; es wird angenommen, daß die geschätzte Durchbruchsspannung diejenige Spannung ist, bei der der berechnete Multiplikationsfaktor. M, sich dem Wert unendlich annähen, und das geschätzte minimal erforderliche X basiert darauf, daß die Obcrflächen-Spitzenfeldstärke in der Nähe des Punktes 82 (vergleiche die Fig. 5 und 6) kleiner als 1.35χ 10⁵ V/cm ist. Die Breite der Verarmungszonen für die angegebenen Bauelemente wird angenommen zu:

= 38,1 xlO-³ cm und

6,223 χ 10~³ cm.

Spannung el. Spitzen- Oberflächen- ungefähres geschätztes abgeschätzte

feldstärke im spitzenfetd- Qh Ql minimal erfor- Durchbruchs-

HL-Körper stärke (μμΟ) (μμ(Γ) derlichesX spannung

10^s V/cm (10⁵VZCm) (cm)

1.	3500	1,77	0.92	780	6200	—	3480
2.	4200	1,70	1,704	0	0	—	4240
3.	3500	1.72	U3	560	2240	2032X10-³	3630
			1,05
60 4.	3500	1.66	1,14	390	1840	25,4 XlO-³	3820
5.	3500	1,60	1,25	290	860	50,8XlO-³	4050

Der Tabelle läßt sich entnehmen, daß der Wert der Spitzenfeldstärke im Halbleiterkörper oder -innern mit größeren Werten Qh zunimmt, womit eine entsprechende Abnahme der geschätzten Duchbruchsspannung einhergeht Das negativ abgeschrägte Bauelement ηαςη Beispiel 1 liefert die ungünstigsten Eigenschaften hinsichtlich der Durchbruchsspannung. Für das Beispiel 3 sind zwei Werte für die elektrische Oberflächen-Spilzenfeldstärke angegeben, wobei die erste Zahl die Feldstärke in der Nähe des Punktes 84 und die zweite Zahl die Feldstärke in der Nähe des Punktes 82 angibt (vergleiche F i g. 5). Es läßt sich erkennen, daß mit Zunahme der

Dicke der relativ dünnen Zope der stark dotierten Halbleiterschicht, d. h. mit Abnahme der Ätztiefe, die elektrische Oberflächenspitzenfeidstärke am Punkt 82 größer, und am Punkt 84 kleiner wird. Es läßt sich ferner erkennen, daß eine Abnahme der Dicke der relativ dünnen Schicht es erforderlich macht, daß deren Breite, d. h. das minimal erforderliche ^ebenfalls zunimmt. Es ist selbstverständlich vorteilhaft, eine möglichst hohe Durchbruchsspannung mit dem minimal erforderlichen Platzbedarf fc-ei der relativ dünnen Zone zu erzielen. Die Tabelle zeigt, daß tatsächlich ein Kompromiß erforderlich ist, wenn eine möglichst kleine Fläche von Bedeutung ist, und daß vorteilhafte Ergebnisse erzielbar sind, wenn A"ungefähr gleich der Breite der Verarmungszone in der schwach dotierten Seite des Obergangs ist.

Die Fi g. 7 und 8 sind graphische Darstellungen der Abhängigkeit der elektrischen Oberflächen-Spitzenfeldstärke und der Lawinen-Durchbruchsspannung im Halbleiterinnern von der Ätztiefe für Halbleiterbauelemente nach den Fig. 1 bis 5 mit ebenen planaren Obergängen. Fig.7 zeigt die elektrische Oberflächen-Spitzenfeldstärke als Funktion von VY. Es ist erkennbar, daß die Kurven im allgemeinen ähnlich verlaufen und daß tatsächlich geringfügig kleinere Oberflächen-Spitzenfeldstärken im Fall des planaren Übergangs erzielbar sind. Wie schon geschildert wurde, ändert sich die Stelle der elektrischen Oberflächen-Spitzenfeldstärke mit der Tiefe der geätzten Zone. F i g. 8 zeigt die Durchbruchsspannung von Halbleiterbauelementen mit ebenen und planaren Übergängen der oben geschilderten Art, die nur auf dem Lawinendurchbruchsmechanismus im Halbleiterin· ncrn beruht. Derjenige Teil der Kurven nach Fig.8. von dem erwartet wird, daß er vorherrschend von dem Oberflächendurchbruch und nicht so sehr vom Durchbruch im Halbleiterinnern beeinflußt ist, ist in einer ppstrirhelten linie dargestellt. Durch Vergleich der F i g. 7 und 8 lälit sich erkennen, daß die maximale Dnrohbruchsspannuiig hinsichtlich des Durchbruchs im Halbleiterkörper bei einem Wert VY auftritt, der geringfügig kleiner als <.*srjenige Wert ist, der durch dio Kurven nach F i g. 7 angegeben ist. Die F i g. 7 und 8 zeigen deutlich, daß das optimale Verhalten über einen relativ schmalen Wertebereich erzielbar ist, obwohl eine Verbesserung über einen relativ großen Dickenbereich für die relativ dünne Zone des Bauelements erzielbar ist. Die optimale Dicke der relativ dünnen Zone ist empirisch festlegbar. Folglich lassen sich Halbleiterbauelemente nach irgendeinem der bekannten Verfahren herstellen, wobei sicherzustellen ist. daß die erzeugten Bauelemente ziemlich gleichförmige Eigenschaften innerhalb einer zur gleichen Zeit hergestellten Gruppe von Bauelementen aufweisen. Anschließend wird ein Bauelement oder eine kleine Gruppe der Halbleiterbauelemente willkürlich ausgewählt, und es wird durch Abätzen des Materials nach geeigneter Maskierung eine Zone der oben angegebenen Art mit einer derartigen Tiefe ausgebildet, daß die Verarmungszone in der abgeätzten Schicht des Bauelements gerade erreicht wird. Dann wird die Durchbruchsspannung des Bauelements bestimmt, und es werden nachfolgcnde Ätzschritte ausgeführt, wobei jedem Ätzschritt eine Messung der Durchbruchsspannung nachfolgt, bis eine maximale Spannung erzielt wird. Durch Verdoppelung der erreichten Endätztiefe lassen sich dann im Rest der gleichzeitig mit der Testanordnung erzeugten Bauelemente annehmbare Ergebnisse erzielen.

Die F i g. 9 und 10 zeigen die Anwendung einer Ätzung des oben in Verbindung mit F i g. 3 geschilderten Typs in einer Struktur, die zwei oder mehr solche Bauelemente enthält. Es sei daran erinnert, daß in Verbindung mit Fig.3 die Abmessungen der relativ dünnen Zone in den Begriffen der Breite X der Zone, der Tiefe Te der Ätzung und der Dicke Vsder relativ schwach dotierten Halbleiterschicht in dem Gebiet der Ätzung definiert ist. Diese Größen werden ebenfalls in Verbindung mit den F i g. 9 und 10 verwendet. Die Bauelemente der F i g. 9 und 10 weisen Elektroden 100,102,104,106 und 108 auf, die die Kontakte des Bauelements oder der Bauelemente darstellen. Die Struktur der F i g. 9 liefert zwei im wesentlichen isolierte Bauelemente, die keine gemeinsamen elektrischen Verbindungen aufweisen, während die Anordnung der Fig. 10 zwei oder mehr Dioden zeigt, die eine gemeinsame Elektrode besitzen. Die Anordnung nach F i g. 10 wird bequemerweise in zwei Ätzschritten mit geeigneter Maskierung hergestellt, um eine Ätzung der in F i g. 10 dargestellten Gestalt zu verwirklichen. F i g. 9 liefert eine Anordnung mit etwas größerer Flexibilität, die jedoch Ätzschritte von beiden Seiten der Anordung erforderlich macht. Die in den Fig.9, 10 und 11 (wird noch beschrieben} angegebenen Strukturen eignen sich insbesondere zur Herstellung von Vieifachanordnungen auf einem einzigen Halbleiterscheibchen mit einer nachfolgenden Teilung in einzelne Chips. Die Anordnungen lassen sich leicht längs der Linien 107,109 und 111 der Fig.9. 10 bzw. 11 teilen, um Einzelbauelemente herzustellen, wo dies gewünscht ist. Die Trennung kann durch Ritzung der Anordnungen und durch anschließendes Auseinanderbrechen durchgeführt werden, sie kann alternativ durch Laserschnitte oder andere bekannte Verfahren durchgeführt werden.

Die Werte für die Größen einer Atzung der insbesondere in F i g. 3 angegebenen Art, die ebenso bei den Anordnungen nach den Fig.9 und 10 verwendbar sind, sind in der folgenden Tabelle angegeben. Es sind die Werte für eine Anzahl von Geometrien angegeben, und es ist in allen Fällen die geschätzte Durchbruchsspannung angegeben. Es v.-ird angenommen, daß der Übergang einen DuFchbruch erleidet, wenn 1 — 1/Mgrößer oder gleich dem Wert 1 ist. Der Übergang ist aus einem schwach dotierten Substrat mit einer Verunreinigungskonzentration von 10¹⁴ pro ecm aus η-Material hergestellt mit einer p-Schicht, deren Dicke 2,5 χ 10~³ cm beträgt, und die eine Oberflächenkonzentration von 10¹⁷ pro ecm besitzt Die Breite der Verarmungszone im n-Substrat beträgt ungefähr 11,4XlO-³ cm, und die Breite in der stark dotierten p-Zone beträgt ungefähr 1,14x10-3 cm, wobei der Übergang mit 1400 V in Sperrichtung vorgespannt ist

Es läßt sich erkennen, daß in allen Fällen die geschätzte Durchbruchsspannung ungefähr dieselbe ist, wobei die Anordnungen hauptsächlich bezüglich des Werts der maximalen elektrischen Oberflächenfeldstärke voneinander abweichen, die über einen Bereich von mehr als 2:1 variiert.

Fall	Vorspan	Max.	Max.eL	1	St	Vs	abgeschätzte
	nung	elektr.	Feld an	M	(cm)	(cm)	Durchbruchs-
	(Volt)	Feld	Oberfläche				spannung
		(XlO³VZCm)	(XlO⁵VZCm)				(Voit)
1 (Ideal)	1400	1,894	1,894	0,242	_		1475 ±25
2	1400	1,895	1,07	0,244	2,54x10-2	7,62x10-3	1475 + 25
3	1400	1,894	0,95	0,244	5,08XlO-²	7,62x10-3	1475 ±25
4	1400	1,894	034	0,244	7,62x10-2	7,62x10-3	1475 ±25
5	1400	1,894	0,64	0,244	5,08x10-2	5,08x10-3	1475 ±25
6	1400	1,895	1,26	0,245	5,08x10-2	10.16x10-3	1475 ±25

F i g. 11 zeigt eine planare Anordnung, die der in der F i g. 9 gezeigten Anordnung analog ist. Elektroden 110, 112, 114 und 116 stellen die Elektroden von zwei isolierten Halbleiterbauelementen dar, die auf demselben Scheibchen hergestellt sind. Die in Verbindung mit F i g. 11 verwendeten Größen entsprechen den in Verbindung mit F i g. 4 verwendeten Größen.

F i g. 12 zeigt ein Bauelement, das eine Substratätzung mit zwei Stufen aufweist. Die Größen der Zweistufenätzung werden definiert als die Gesamtbreite Xe \ der geätzten Zone, die Breite Xe2 des dünneren Teilbereichs der geätzten Zone, die Dicke Ys \ des dickeren Teilbereichs der geätzten unteren Zone und die Dicke Ys 2 des dünneren Teilbereichs der geätzten unteren Zone. Die folgende Tabelle gibt die berechneten Werte für eine Anzahl von Parametern wieder, die den Anordnungen nach den F i g. 3,11 und 12 zugeordnet sind. Diese Figuren basieren auf Anordnungen, deren Substrat Verunreinigungskonzentrationen /om η-Typ vom Wert 10¹⁴ pro ecm aufweist Die stark dotierten Diffusionszonen vom p-Typ sind etwa 2,5 x 10-³ _Cm dick und besitzen eine Oberflächenkonzentration von 10¹⁷ pro ecm. Die Breite der n-Verarmungszone beträgt ungefähr 11,43 χ 10~³, während die Breite der p-Zone ungefähr 1,14 κ 10~³ cm beträgt, wobei beide Zonen einer Spannung von 1400 V ausgesetzt sind.

Gestalt. Fall Vorspan- max-el. max. el.

anwendbar nung Feld Feld der

(Volt) (xlO³V/cm) Oberfläche (χ 10⁵ V/cm)

L Ys\,Ys2

Xe
(IO-²cm)

X
(10-²cm)

geschätzte Durchbruchsspannung (Volt)

I.Ideal ID

2, keine Ätzung

3,Fig.3undll

4, F i g. 3.9.11

5, F i g. 3 und 11
6.Fig.3
7.Fig. 12

1400 750 1400 140O 1400 1400 1400

1,885	1,885	0,22	—	—	—	1475 ±25
238	1,85	0,5	_	—	—	790 ±20
3.27	3.07	129	7.6	5	2,5	1050±150
2.30	2.10	0,83	2,5	10	5	1420 ±20
2.26	2.06	0.57	23	10	7.6	1440 ±20
!.885	0.74	0,22	2.5	10	9.65	1475±25
2.40	2,21	2.13	7.9	10.22	7.6	1340 ±50

Eine Bezugnahme auf die vorstehende Tabelle ergibt, daß der Fall 2, bei dem keine heruntergeätzte Zone vorgesehen ist, die schlechtesten Eigenschaften von allen Beispielen aufweist. Die Fälle 3 bis 7 ergeben verschiedene Grade einer Verbesserung gegenüber dem Fall 2, wobei der Fall 6 im wesentlichen ideale Durchbruchseigenschaften besitzt. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn Ys sehr klein, in der Größenordnung von etwa 2,5 χ 10"³ cm gemacht wird, so daß die gesamte Ladung in der leicht dotierten Schicht in der Nähe des Übergangs sehr klein ist. Dies wurde im Fall 6 durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Anordnung der F i g. 11 eine Vielzahl von Bauelementen auf einem einzigen Substrat ermöglicht, die offensichtlich nicht durch Kopplung zwischen den Bauelementen gestört werden, solange wie 2 (Xe-λ^ groß genug ist, daß kein Durchgriff der Verarmungszone in der schwach dotierten Schicht von Bauelement zu Bauelement erfolgt. In den Fällen, in denen Ys klein ist, muß X erhöht werden, um die elektrische Spitzenfeldstärke im Halbleiterinncrn zu reduzieren, wie das auch der Fall bei den oben geschilderten Halbleiterbauelementen der Fall war. Das Bauelement nach Fi g. 12 besitzt einige Vorteile, obwohl es einen komplexeren Aufbau besitzt. Das Bauelement nach Fig. 12 enthält eine erste und eine zweite Elektrode 120 bzw. 122, die einen elektrischen Kontakt mit dem Bauelement bilden. Ein relativ schwach dotiertes Substrat 124 weist zwei abgeflachte Zonen relativ konstanter Dicke 126 und 128 auf, die bequemerweise durch aufeinanderfolgendes Ätzen ausgebildet werden können. Der

Kontakt 122 erstreckt sich bevorzugt über einen kleineren Bereich als den gcSSfnten Bereich der relativ stark dotierten p-Zone 130, so daß kein Durchgriff an der Stelle auftritt, an der die Verarmungszonc in der p-Schichl die Oberfläche des Bauelements erreicht, wie durch die gestrichelte Linie 132 dargestellt ist. Die Elektrode 120 besitzt bezüglich der Grenze 134 der Verarmungszone in der schwach dotierten Schicht eine ähnliche Lage.

Fi g. 13 zeigt ein Bauelement mit einem Obergang mit einer Doppelätzung in der stark dotierten Halbleiterschicht des Bauelements. Fig. 13 zeigt zwei Elektroden 136 und 138, die die stark dotierte Schicht 140 bzw. die schwach dotierte Schicht 142 kontaktieren. Die Grenzen der Verarmungszonen für den idealen, eindimensionalen Fall sind mit 144 und 146 in der stark bzw. schwach dotierten Schicht angegeben. Die tatsächlichen Grenzen der Verarmungszonen nach Ausbildung der abgeflachten Zonen 148 und i50 sind mit 152 und 154 dargestellt. Die relativ dünne Zone 148 wird durch ihre Breite X\ und die Dicke Y\ beschrieben, während die Zone 150 durch die Breite X₂ und die Dicke Y₂ beschrieben wird. Die durch die Ausbildung der Ätzzonen in den Zonen 148 und 150 entfernten Ladungsmengen sind mit Qr 1 bzw. Qr2 bezeichnet. Die Größe der elektrischen Oberflächenfeldstärke am Punkt 156 wird primär durch die Größe von Qr₂ gesteuert, während der Wert der in der Nähe des Punktes 158 gespeicherten Oberschußladung, die primär zur Erhöhung der Spitzenfeldstärke im Halbleiterinnern beiträgt, sehr stark von der Größe von Qr 1 abhängt, wie schon erläutert wurde. Es ist daher wünschenswert, daß Qr 1 einen endlichen aber kleinen Wert besitzt

Fig. 14 zeigt den dem Bauelement nach Fig. 13 analogen Fall, wobei die Ätzung in der leicht dotierten Halbleiterschicht ausgebildet ist Die Elektroden 160 und 162 kontaktieren die stark dotierte Schicht 164 bzw. die schwach dotierte Schicht 166. Die Grenzen der Verarmungszonen für den idealen eindimensionalen Fall sind mit 168 und 170 bezeichnet, während die Grenzen nach Ausbildung der abgeflachten Zonen 172 und 174 mit 176 und 178 in der schwach und der stark dotierten Schicht dargestellt sind. Die Gestalt des Bauelements nach h g. 14 wird durch dieselben Abmessungsgrößen wie bei dem Bauelement nach F i g. 13 einschließlich der Größen Wl und Wu beschrieben, die die Breiten der eindimensionalen, schwach bzw. stark dotierten Verarmungszonen darstellen.

Fig. 15 zeigt ein weiteres Bauelement mit einer doppelt geätzten Zone im stark dotierten Teil eines Planariiberganges. Das Bauelement nach Fig. 15 enthält Elektroden 180 und 182, die über den Halbleiterschichten 184 bzw. 186 liegen, wooei die Schicht 184 eine stark dotierte Schicht darstellt, während· die Schicht 186 eine schwach dotierte Schicht ist Wh bzw. VV/. stellen die Breiten der eindimensionalen Verarmungszonen in der stark dotierten bzw. schwach dotierten Schicht dar, es sind dies die Breiten zwischen dem Obergang 188 und der Grenze 190 der stark dotierten Verarmungszone bzw. zwischen dem Übergang 188 und der Grenze 192 der schwach dotierten Verarmungszone. Die Grenzen 194 und 196 geben die Erstreckung der Verarmungszonen nach Ausbildung der relativ dünnen abgeflachten Zonen 198 und 200 wieder. Die Zonen 198 und 200 sind durch die Größen X_u X₂, Yi und Y₂ beschrieben, wie dies in der gesamten Beschreibung der Fall ist.

Die folgenden Tabellen vergleichen die Ergebnisse, die sich mit den Strukturen der in den Fig. 13 und 15 dargestellten Bauelemente erzielen lassen. In beiden Fällen sind die Größen Xi und X₂ derart gewählt, daß sie ungefähr gleich sind und ungefähr einen Wert von 2,5 χ lO-'cm aufweisen. Es wird angenommen, daß der DurJibruch am Punkt 156 bei einer elektrischen Feldstärke von 1,71 χ 10⁵ V/cm erfolgt, und daß die Breite der Verarmungszone in der stark dotierten Schicht ungefähr 6,1 χ 10~³ cm bei 4000 Volt und ungefähr 5,8 χ 10~³ cm bei 3500 Volt beträgt.

Lawinen-

durchbruchs-

spannung

Max. eL
Oberflüchenfeldstärke
(xlO⁵ V/cm)

Max. el. Feld
im Halbleitennnern

Y\
(10-^Jcm)

Y₂
(10-³cm)

(a) 6' negative Abschrägung (!2,7 χ 10-²cm vom Radius verschenkt)

(b) Ideal eindimensional

(c) Verarmungszonen-Einzelätzung

(d) Verarmungszonen-Einzelätzung

(e) Doppelätzung (F i g. 13)

(f) Doppelätzung

(g) Doppelätzung (h) Doppelät/ung (i) Doppelätzung (j) Doppelätzung (k) Doppelätzung (I) Doppelätzung

3450

0.90

1,75

4150	1.71	,71	—	—
4050	1.46	,71	6.35	635
3950	1.33	,71	5,84	5,84
3950	0.94	,71	6,35	4,6
3975	1,08	,71	6.35	5,1
4000	1,20	.71	6.35	5.6
3875	1.06	.71	5.84	5.1
3950	1,07	.71	6.1	5,1
3975	1,08	.71	6.35	5.1
3800	1,04	.71	6,60	5.1
3700	1.01	1,71	6.85	5.1

Fall

Lawinen-

durchbruchs-

spannung

Max. el.
Oberflächenfeldstärke
(χ 10⁵VZCm)

Max. el. Feld im Halbleiterinnern ( xlO⁵ V/cm)

Yx (ΙΟ-³ cm)

Yi (10-³cm)

(a) 6° negative Abschrägung (ebener Übergang)

(b) Ideal eindimensional ίο (^c) Verarmungszonen —

Einfachätzung

(d) Verarmungszonen — Einiachätzung

(e) keine Ätzung (Krümmung begrenzt)

(f) Doppelätzung (F i g. 15)

(g) Doppelätzung (h) Doppelätzung (i) Doppelätzung (j) Doppeläcsing (k) Döppelätzung

(1) Verarmungszonen — Einfachätzung

0,90

1,75

4150	1,71	1.71	—	—
3350	1,27	1,75	6,35	635
3800	1,10	1,75	5,84	5,84
2600	1,54	1,81	—	—
3900	1,46	1,73	635	5,6
3850	1-27	1,73	635	5,1
3850	1,07	1,73	635	4,6
3750	0,90	1,73	5,84	5,1
3850	1,27	1,73	635	5.1
3300	1.47	179	6,85	5.1
3900	1.23	1,73	6,1	6,1

Die Bauelemente der Fig. 12 bis 15 verhalten sich ähnlich wie die vorher beschriebenen Bauelemente, und deren Größenwerte werden daher entsprechend gewählt Es sei daran erinnert, daß Vi so gewählt ist, daß es kleiner als der Wert von W_H ist, während X\ derart gewählt wird, daß es gro?> genug ist, um Q_n und Qrz zu entkoppeln, also mindestens gleich der halben Summe von W_H und W_L ist Zusätzlich zu diesen Größen müssen die Werte Xi und Yi gewählt werden. Es wird zur Zeit als wünschenswert erachtet, X₂ ungefähr gleich X₁, d. h. in derselben Größenordnung wie W_L zu wählen, während Y₂ experimentell bestimmt wird, um die Abnahme des elektrischen O- irflächenfelds an der Schnittstelle zwischen dem Übergang und der Kante des Bauelements zu maximieren. Die verschiedenen Zusammenhänge zwischen den Dicken Y\ und Yi und den elektrischen Feldstärken an der Oberfläche und im Haibleiterinnern lassen sich den Tabellen entnehmen.

Bisher wurden Halbleiterbauelemente mit einem pn-übergang beschrieben. F i g. 16 zeigt ein Beispiel für ein Halbleiterbauelement mit drei Schichten und zwei pn-Übergängen. Die Elektroden 202 und 204 liefern einen Kontakt an der Oberfläche der p-Halbleiterschichten 206 und 208. Nicht dargestellt ist der Kontakt zur Schicht 210, die sandwich-artig bezüglich der Schichten 206 und 208 angeordnet ist In dem Bauelement nach Fi g. 16 sind zwei geätzte Zonen vorgesehen, eine erste Zone 212 und eine zweite Zone 214. Bezüglich des Übergangs 216 zwischen den Schichten 206 und 210 stellt die p-Halbleiterschicht 206 die stark dotierte ScHcht dar, und die Zone 212 wird in Übereinstimmung mit der obigen Diskussion gemäß diesem Typ der Zone gewählt. Die Zone 214 stellt eine Ätzung in die schwach dotierte Schicht 210 dar, die dem Übergang 218 zwischen den Schichten 208 und 210 zugeordnet ist. Bezüglich des durch die Schichten 210 und 208 ausgebildeten Übergangs 218 stellt die Zone 214 eine Substratätzung oder eine Ätzung in die schwach dotierte Schicht dar.

Die Zonen 212 und 214 können im wesentlichen unabhängig voneinander gewählt werden und liefern in einem Bauelement nach F i g. 16 Verbesserungen in der oben geschilderten Größenordnung.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

10

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit zumindest zwei Halbleiterschichten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die zwischen sich einen pn-Obergang ausbilden, bei dem in einer der beiden Halbleiterschichten am Rand des Halbleiterkörpers mindestens eine abgeflachte Zone mit konstanter Breke und mit gegenüber der Dicke dieser Halbleiierschicht verringerter im wesentlichen konstanter Dicke vorgesehen, deren Dicke kleiner ist als die Breite der bei der Durchbruchspannung des pn-Obergangs in dieser Halbleiterschicht auftretenden Verarmungszone ist, dadurch gekenczeichn e t, daß die Breite X der abgeflachten Zone (28; 52; 62; 70; 126; i48; 172; 198;212,214} mindestens feteich der halben Summe der Breiten (\V_H, VV/.) der bei der Durchbruchsspannung des pn-Obergangs (46, 64, 68, 188,216,218) in den beiden Halbleiterschichten (22,24; 34; 42,44; 54,56; 65,66; 124,130; 140,142; 164,166; 184,186; 206,208,210) auftretenden Verarmungszonen ist

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterschichten (22, 24; 34; 42, 44; 54, 56; 66; 124,130; 140, 142; 164,166; 184, 186) zwischen sich einen ebenen oder einen

planaren pn-übergang (46,64,68,188) ausbilden.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite abgeflachte Zone (128; 150; 174; 200) die erste abgeflachte Zone (126; 148; 172; 19S) umgibt und eine Dicke (Y_S2) aufweist, die kleiner als die Dicke (Y_s ι) der ersten abgeflachten Zone (126; 148; 172; 198) ist.