DE2736342A1

DE2736342A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2736342A1
Application number: DE19772736342
Authority: DE
Inventors: Peter Joseph Kannam; Joseph Paul White
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1976-08-24
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1978-03-02
Also published as: AU2801477A; PL113661B1; AU502694B2; SE7708723L; JPS5327370A; BR7705488A; GB1548796A; PL200347A1; US4047196A; NL7709281A; FR2363196A1

Description

Dr.-lng. Reimar König · Dipl.-lng. Klaus Bergen

Cscilienallee 76 A Düsseldorf 3O Telefon 452QOB Patentanwälte

- k - 11. August 1977

31 660 B

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Halbleiterbauelement"

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem ursprünglich aus Halbleitermaterial des einen Leitungstyps bestehenden Körper mit sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Hauptflächen und sich zwischen den Hauptflächen erstreckendem, umlaufendem Rand, wobei sich ein erster halbleitender Bereich des anderen Leitungstyps unter Bildung eines ersten PN-Übergangs mit dem Halbleiterkörper in diesem erstreckt und wobei der PN-Übergang ein im wesentlichen zur ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers senkrecht stehendes Randsegment, ein sichim wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche erstreckendes Bodensegment uniein das Rand- und das Bodensegment verbindendes Radiussegment aufweist.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Hochspannungsbauelement. Diese Bauelemente, insbesondere solche, welche sowohl schnell schalten als sich auch zum Führen hoher Ströme eignen, sind sehr gefragt. Bei früheren Bauelementen dieser Art, z. B. bei Transistoren, besteht eine Hauptschwierigkeit darin, eine hohe Durchschlagsspannung, beispielsweise eine Durchschlagsspannung am Basis-Kollektor-PN-Übergang von etwa 1,500 Volt, und gleichzeitig eine hohe Stromtragfähigkeit, beispielsweise größer als etwa 5 Ampere, zu gewährleisten, ohne auf eine hohe Schaltgeschwindigkeit zu verzichten.

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ORIGINAL INSPECTED

Es ist bekannt, daß die Spannung am Basis-Kollektor-PN-Übergang durch eine Verarmungsschicht aufrechterhalten wird, wenn der übergang in Sperrichtung geschaltet ist. Um die zulässige Spannung am Übergang zu vergrößern, werden normalerweise die an den PN-Übergang angrenzenden Verarmungsbereiche dicker ausgeführt. Es ist auch bekannt, daß die Stromtragfähigkeit von Leistungstransistoren in erster Linie durch den Basis-Kollektor-Aufbau, d. h. den spezifischen Widerstand und die Weite an dieser Stelle, durch die Emitter-Geometrie und andere Techniken, wie Stromverteilungstechniken bestimmt wird. Da der spezifische Widerstand und die Weite bzw. Breite der Basiszone und der Kollektorzone wichtig für die Strombelastbarkeit des Bauelementes sind, führt jede Änderung im Hinblick auf eine Vergrößerung der Spannungsbelastbarkeit des PN-Übergangs normalerweise zu einer Verkleinerung der Strombelastbarkeit des Bauelements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geometrie, insbesondere die Weite und Breite, sowie die Widerstandsbeiwerte der Basis- und Kollekterzonen im Hinblick auf eine Optimierung der Strombelastbarkeit des Bauelements einzustellen, und gleichzeitig die Spannungsbelastbarkeit durch Einstellen bzw. Umbilden bestimmter Bauteile des Bauelements zu erhöhen, welche im wesentlichen von der Geometrie und dem Widerstand der Basis- und Kollektorzonen unabhängig sind. Die erfindungsgemäße Lösung besteht in den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen. Verbesserungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die Erfindung wird u. a. erreicht, daß der Hauptteil der Basis- und Kollektorzone des Bauelements unverändert bleibt, die Strombelastbarkeit also den erwünschten hohen Wert erhält. Dagegen werden die Randbereiche der Verarmungszone am PN-Übergang an der Kante des Halbleiterbauelementes

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verstärkt. An diesen Stellen, an denen bei bisherigen Bauelementen der Spannungsdurchschlag häufig zuerst beginnt, ist somit die Wahrscheinlichkeit eines Durchbruchs gegenüber derjenigen für das Eintreten des Durchbruchs im mittleren Bereich des PN-Obergangs herabgesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement wird daher ein Spannungsdurchschlag allenfalls im von den Kanten des Bauelementes weit abgelegenen mittleren Bereich des PN-Ubergangs eintreten. In diesem Bereich ist aber der Wert der Sperrspannung, bei der ein Spannungsdurchschlag eintritt, relativ hoch. Ohne die Schaltgeschwindigkeit und die Strombelastbarkeit des Bauelementes herabzusetzen, gelingt es also erfindungsgemäß, ein Bauelement zu schaffen, das bei im übrigen im wesentlichen derselben Struktur wie bekannte Bauelemente dieser Art wesentlich höheren Sperrspannungen widerstehen kann, als es bisher für möglich gehalten wurde.

Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauelement;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt A des Bauelements gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes; und

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt B des Bauelementes gemäß Fig. 3.

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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelementes, das in Fig. 1 allgemein mit 10 bezeichnet ist, enthält einen Halbleiterkörper 12 mit einer ersten Hauptfläche 14 und einer dieser gegenüberliegenden Hauptfläche 16. Der Halbleiterkörper 12 weist ferner einen umlaufenden, sich zwischen den Hauptflächen erstreckenden Rand 18 auf, wobei ein Teil des Randes in bestimmter Weise - wie weiter unten beschrieben - geformt bzw. konturiert ist. An sich kann der Halbleiterkörper 12 aus jedem Halbleitermaterial bestehen, jedoch wird Silizium bevorzugt. Der Halbleiterkörper 12 besteht ursprünglich aus Halbleitermaterial des einen Leitungstyps, z. B. ist er N-leitend. Es kann auch P-leitendes Material verwendet werden, wenn der Leitungstyp aller - weiter unten beschriebenen - Bereiche des Bauelementes entsprechend angepaßt wird.

Angrenzend an die erste Hauptfläche 14 des Bauelementes ist ein erster halbleitender Bereich 20 vom anderen Leitungstyp, im AusfUhrungsbeispiel also vom P-Typ, vorgesehen, der sich in den Halbleiterkörper 12 hineinerstreckt. Der erste Bereich 20 bildet einen PN-Übergang 22 mit dem Rest des Halbleiterkörpers 12.

Der erste PN-Übergang 22 besteht aus einem Bodensegment 24, einem Randsegment 26 und einem Radiussegment 28. Das Bodensegment 24 liegt im wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche 14. Das Randsegment 26 steht im wesentlichen senkrecht zur ersten Hauptfläche 14 und umgreift den ersten halbleitenden Bereich 20. Das Radiussegment 28 verbindet das Bodensegment 24 mit dem Randsegment 26.

Der konturierte bzw. in besonderer erfindungsgemäßer Weise geformte Teil des umlaufenden Randes 18 des Halbleiterkörpers 12 ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Der konturier te Teil beginnt im ersten halbleitenden Bereich 20 und er-

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streckt sich in Richtung auf die zweite Hauptfläche 16 des Halbleiterkörpers 12 zu einer ersten Stufe 30 (bzw. Terrasse). Die erste Stufe 30, die im wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche 14 liegt, schneidet das Randsegment 26 des ersten PN-Übergangs 22. Von einem Punkt in der Nähe der Schnittlinie zwischen der ersten Stufe 30 und dem Randsegment 26 erstreckt sich die Umrißlinie bzw. Kontur des umlaufenden Randes 18 in Richtung auf die zweite Hauptfläche 16 zu einer zweiten Stufe Letztere, die im wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche 14 liegt, verläuft in einer Richtung weg von dem Randsegment 26. Aus weiter unten erläuterten Gründen wird es vorgezogen, daß die zweite Stufe 32 in derselben Ebene im wesentlichen (koplanar) wie das Bodensegment 24 des ersten PN-Ubergangs 22 liegt. Wie ebenfalls weiter unten erläutert wird, soll das Profil des konturierten Randes 18 sowohl zwischen der ersten Hauptfläche 14 und der ersten Stufe 30 als auch zwischen der ersten und zweiten Stufe 30 und 32 innerhalb von dort gezogenen geraden Linien liegen, d. h. das Profil soll mit Bezug auf die geraden Linien konkav sein.

Der konturierte Teil des umlaufenden Randes ist vorzugsweise mit einer Schicht 34 aus Passivierungsmaterial, wie gesintertem Glas, polykristallinem Silizium hohen Widerstandes o. ä., bedeckt. Das Randsegment 26 des ersten PN-Übergangs 22, das etwa bis zum äußersten Rand der ersten Terrasse 3Qreicht, ist mit Hilfe der Schicht 34 nach einer unten beschriebenen Planartechnik passiviert.

Der erste HalbleiterbeieLch 20 ist mit einer ersten Elektrode 26 und die zweite Hauptfläche 16 ist mit einer zweiten Elektrode 38 elektrisch verbunden.

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Das erfindungsgemäße Bauelement 10 kann mit Hilfe in der Halbleitertechnik bekannter Methoden und Techniken hergestellt werden. Beispielsweise kann der konturierte Teil des umlaufenden Randes 18 unter Anwendung bekannter Ätzoder mechanischer Schleif methoden geformt werden. Der halbleitende Bereich 20 läßt sich mit Hilfe bekannter Diffusions- und/oder Ionenimplantationstechniken bilden.

Ein planarer PN-Übergang, wie er heute bekannt ist, endet im wesentlichen senkrecht an einer Hauptfläche eines Halbleiterscheibchens. Ein Vorteile eines solchen PN-Übergangs besteht darin, daß er leichter passiviert werden kann als beispielsweise ein Mesa-PN-Übergang, der am umlaufenden Rand des Halbleiterscheibchens ausläuft. Das Passivieren des Austritts eines PN-Übergangs an der Oberfläche ist beim Herstellen von Hochspannungsbauelementen außerordentlich wichtig. Wichtig ist das Passivieren deshalb, weil jeder an der Oberfläche eines Halbleiterscheibchens endende PN-Übergang durch das umgebende Material verschmutzt werden kann. Noch wichtiger ist es dabei, zu beachten, daß die Austrittslinie des PN-Übergangs ohne Passivierung zu hohen Oberflächen-Leckströmen führen kann, die von Kristallstörungen oder -defekten herrühren und vor allem an der Durchstoßstelle des PN-Übergangs an der Oberfläche auftreten.

Ein Hauptnachteil von planaren PN-Übergängen ist der sogenannte Radiuseffekt. Mit diesem Begriff wird das Phänomen bezeichnet, nach dem die Intensität des elektrischen Feldes längs eines PN-Übergangs am größten im Bereich des radialen bzw. gebogenen Segmentes eines planaren PN-Übergangs ist. Als Folge des Radiuseffekts tritt ein Spannungsdurchbruch eher, d. h. bei niedrigeren Sperrspannungen, in dem gebogenen Teil des PN-Übergangs auf als in dem Jj_n wesentlichen

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gleichmäßig bzw. eben verlaufenden Bodensegment eines planaren PN-Ubergangs. Ein Spannungsdurchschlag infolge des Radiuseffekts tritt daher bei wesentlich niedrigeren Spannungen auf als ein Spannungsdurchbruch im Bereich des Bodensegments. Da die hohe elektrische Feldstärke am Durchbruchspunkt des Radiussegments eines planaren PN-Ubergangs zu hohen Stromdichten führen kann, wird das Bauelement infolge des Radiuseffekts oft beschädigt oder zerstört. Die Wahrscheinlichkeit für eine Zerstörung oder Beschädigung wird dagegen wesentlich reduziert, wenn der Spannungsdurchbruch im Hauptteil des Halbleitermaterials auftritt, weil der Durchbruch sich in diesem Falle im wesentlichen über das ganze Bodensegment verteilt und die Stromdichten entsprechend verringert werden.

Wenn an einen PN-Übergang eine Sperrspannung angelegt wird, bildet sich beiderseits des Übergangs im Halbleitermaterial eine Verarmungsschicht aus. Wie der Name sagt, enthält eine Verarmungsschicht sehr wenige, wenn überhaupt, freie Ladungsträger, z. B. Elektronen. Dieser Mangel an freien Ladungsträgern ist dadurch begründet, daß die Ladungsträger durch Anlegen der Sperrspannung von dem metallurgischen Übergang abgestoßen werden. Daher ist eine Verarmungsschicht ein Bereich sehr hohen Widerstandes. Da freie Ladungsträger vom metallurgischen PN-Übergang abgestoßen werden, wird ein elektrisches Feld gebildet und im Bereich des Übergangs aufrechterhalten. An jeder Stelle des metallurgischen PN-Übergangs ist die elektrische Feldstärke durch die angelegte Spannung dividiert durch den Abstand der Ränder der Verarmungsschicht bestimmt. Zu einer gegebenen Spannung ist daher die elektrische Feldstärke um so größer Je dünner der verarmte Bereich ist. Die Wahrscheinlichkeit eines Durchbruchs am PN-Übergang nimmt daher zu, wenn die Dicke der

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Verarmungsschicht abnimmt. Mit anderen Worten heißt das, daß je weiter die Verarmungsschicht in das umgebende Material heineinreicht, die Spannung umso größer ist, die ohne Durchbruch an den PN-Übergang angelegt werden kann.

Die Entfernung, bis zu der eine Verarmungsschicht reicht, ist in erster Linie durch die anfängliche Leitfähigkeit des Materials in der Nähe des PN-Übergangs bestimmt. Eine Verarmungsschicht an einem PN-Übergang iö.cht also für eine vorgegebene Sperrspannung weiter in ein Material mit vergleichsweise hohem Widerstand hinein als in ein Material mit vergleichsweise niedrigem Widerstand. Weiterhin ist für eine gegebene Sperrspannung nicht nur die von beiden Seiten des PN-Übergangs abgestoßene Gesamtladung die gleiche, d. h. die Gesamtladung auf den beiden Seiten ist gleich, sondern die Ladung ist auch an jeder Stelle einer und derselben Seite die gleiche. Wenn daher eine Zahl von abzustoßenden freien Ladungsträgern nicht in der Nähe des Übergangs vorhanden ist, wie beispielsweise in einem vergleichsweise hochohmigen Material, reicht die Verarmungsschicht von dem PN-Übergang soweit, bis die erforderliche Zahl von Ladungsträgern gesammelt ist. Da der Durchtritt eines PN-Übergangs - wie oben erläutert worden ist - den schwächsten Punkt eines PN-Übergangs darstellt, ist es sehr wünschenswert, den Verarmungsbereich an der Oberfläche auf eine größere Entfernung bzw. eine größere Breite auszudehnen als im Innern des Halbleitermaterials.

Bei bekannten Bauelementen war man in erster Linie bestrebt, die Verarmungszone nur auf einer Seite des Oberflächendurchtritts eines PN-Übergangs auszudehnen. Durch die erfindungsgemäße Kontur des umlaufenden Randes des Halbleiterkörpers wird eine Vergrößerung der Verarmungszone auf beiden Seiten des PN-Übergangs erreicht. Das bedeutet, daß ein eventueller Spannungsdurchbruch gezwungen

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wird, im Innern des Halbleiterkörpers aufzutreten. Ein Bauelement mit der erfindungsgemäßen Struktur hat also eine nahezu ideale SpannungsdurchbruchEcharakteristik.

Zum Zwecke der Erläuterung der Betriebsweise des Bauelements 10 sind in Fig. 2 eine ebene verlängerte erste Stufe 40 und der Rand 42 einer scheinbaren oder virtuellen Verarmungszone dargestellt. Zum Erzielen einer besseren Übersichtlichkeit ist die Schraffur in Fig. 2 weggelassen worden. Ohne die erfindungsgemäße Kontur und die Gegenwart der zweiten Stufe 32 würde die Verarmungszone einen ersten Bereich 43 aufweisen, der zur Unterscheidung gepunktet gezeichnet ist. Die Verarmungszone würde dann nur bis zu einer Entfernung D reichen, wie das in Fig. 2 gezeigt ist. Da jedoch der erste Verarmungsbereich 43 tatsächlich nicht vorhanden ist, weil der Rand des Halbleiterkörpers fast unmittelbar an die Austrittslinie des PN-Übergangs angrenzt und teilweise etwa parallel zu diesem verläuft, müssen die durch die Verarmungszone versetzten freien Ladungsträger anderswoher abgezogen werden, z. B. aus einer zweiten ebenfalls gepunktet dargestellten Ersatz-Verarmungszone 44, um die Ladungsgleichheit, wie oben angegeben, aufrechtzuerhalten. Die Oberflächenabschnitte der Verarmungszone im Bauelement 10 sind daher für jede gegebene Sperrspannung breiter bzw. deren Ränder sind weiter voneinander entfernt als bei herkömmlichen Bauelementen dieser Art. Der grössere Abstand führt zu einer verkleinerten elektrischen Feldstärke längs dieser Abschnitte. Die erfindungsgemäße Form des umlaufenden Randes des Halbleiterkörpers bedingt daher eine geringere Wahrscheinlichkeit eines an der Oberfläche auftretenden Spannungsdurchbruchs.

Wenn an die erste und die zweite Elektrode 36 und 38 eines Gleichrichterbauelementes 10 gemäß Fig. 1 eine Sperrspannung angelegt wird, hält daher der PN-Übergang 22 einer

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vergleichsweise höheren Sperrspannung stand als ein herkömmliches Bauelement ohne die erfindungsgemäße Randkontur. Weiterhin ist die Belastbarkeit des Bauelementes 10 gegenüber einer Sperrspannung erhöht, weil eine bei PIanar-Bauelementen übliche Passivierung angewendet werden kann. Das ist daher möglich, weil die erste Stufe 30 das Randsegment 26 des PN-Übergangs 22 im we-sentlichen senkrecht schneidet.

Wegen der erfindungsgemäßen Randkontur des Halbleiterbauelementes 10, das bei Betrieb als Halbleitergleichrichter arbeitet, scheint der Sperrspannungsdurchbruch eher durch den Radiuseffekt als durch die Charakteristik des idealen Durchbruchs in der Masse des Halbleitermaterials des Körpers 12 bestimmt zu sein. Das gilt höchstwahrscheinlich, wenn eine Zone von N-leitendem Material mit gegenüber dem Material des Halbleiterkörpers 12 relativ hoher Ladungsträ gerkonzentration an die zweite Hauptfläche 16 angrenzt. Solch ein - in Fig. 1 oder 2 nicht gezeigter - Bereich wird normalerweise an der zweiten Hauptfläche 16 vorgesehen, weil er für einen niedrigen Übergangswiderstand an der zweiten Elektrode 38 förderlich ist.

In den Halbleiterkörper 12 können auch weitere Zonen verschiedenen Leitungstyps eingelagert werden, wenn nur die erfindungsgemäße Randkontur beibehalten wird. Beispielsweise läßt sich auf diese Weise ein Leistungstransistor herstellen. Ein solches Bauelement ist in Fig. 3 allgemein mit 46 bezeichnet worden.

Das Bauelement 46 umfaßt einen Halbleiterkörper 48, der ursprünglich N-leitend ist und eine erste Hauptfläche 50 und eine dieser gegenüberliegende Hauptfläche 52 hat.

Innerhalb des oberen Teils des Halbleiterkörpers 48 ist ein erster halbleitender Bereich 54 aus P-leitendem Ma-

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terial vorgesehen. Der erste Bereich 54 bildet einen ersten PN-Übergang 56 an der Grenze zum Material des Halbleiterkörpers 48. Ebenso wie der erste PN-Übergang 22 des Bauelementes 10 gemäß Fig. 1 weist der erste PN-Übergang 56 gemäß Fig. 3 ein Bodensegment 58, ein Randsegment 60 und ein Radiussegment 62 auf.

Der Halbleiterkörper 48 hat einen umlaufenden Rand 64 mit einem im Prinzip ebenso konturierten Teil wie anhand des Bauelementes 10 diskutiert. Auf dem Rand 64 ist eine Passivierungsschicht 66 vorgesehen.

Soweit bisher beschrieben, ist das Bauelement 46 im wesentlichen identisch mit dem Bauelement 10 von Fig.

Das Bauelement 46 gemäß Fig. 3 enthält außerdem einen zweiten halbleitenden Bereich 68 vom P⁺-Leitungstyp innerhalb des ersten Bereiches 54 und angrenzend an die erste Hauptfläche 50. Die Oberflächenkonzentration der Ladungsträger im zweiten Bereich 68 ist vorzugsweise größer als diejenige im ersten Bereich 54. Der erste und der zweite Bereich 54 bzw. 68 können zusammen als die Basiszone eines Transistors angesehen werden.

Innerhalb des zweiten Bereichs 68 und angrenzend an die erste Hauptfläche 50 ist wenigstens ein dritter halbleitender Bereich 70 vom N⁺-Leitungstyp vorgesehen. Innerhalb des zweiten Bereichs 68 kann auch eine Vielzahl von dritten Bereichen 70 angeordnet sein. Der drit te Bereich 70 bildet an der Grenze zum zweiten Bereich 68 mit diesem einen zweiten PN-Übergang 72. Der dritte Bereich 70 kann die Emitterzone eines Transistors darstellen.

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AS

Angrenzend an die zweite Hauptfläche 52 des Halbleiterkörpers 48 kann ein vierter halbleitender Bereich 74 vom IT^-Leitungstyp vorgesehen sein, der in den N~-leitenden Halbleiterkörper 48 hineinragt. Vorzugsweise hat der vierte Bereich 74 eine höhere Ladungsträgerkonzentration als das Material des Halbleiterkörpers 48. Das N~-leitende Material des Halbleiterkörpers 48 und der vierte Bereich 74 können zusammen die Kollektorzone eines Transistors bilden.

Aus weiter unten erläuterten Gründen, reicht ein Teil 76 des vierten Bereichs 74, der im wesentlichen senkrecht auf den dritten Bereich 70 ausgerichtet ist, weiter in den Halbleiterkörper 48 hinein als der Rest des vierten Bereichs 74.

Der zweite Bereich 68, der dritte Bereich 70 und der vierte Bereich 74 sind gemäß Fig. 3 mit Hilfe von Elektroden, nämlich einer ersten, zweiten und dritten Elektrode 78, 80 und 82, kontaktiert.

Die Leitfähigkeiten und Tiefen der verschiedenen Bereiche können mit Hilfe aus der Herstellungstechnik von schnell-schal· tenden Hochstrombauelementen bekannten Daten und Verfahren bestimmt und eingestellt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat beispielsweise der dritte Bereich 70 bzw. die Emitterzone eine Oberflächenladungsträgerkonzentration in der Größenordnung von etwa 10 Atomen/ever und eine Tiefe, die etwa 25% der von der ersten Hauptfläche 50 gemessenen Gesamttiefe des ersten Bereiches 54 entspricht. Die Tiefe des ersten Bereichs 54 liegt in der Größenordnung von etwa 50 Mikrometern (etwa 2 mils). Der zweite Bereich 68 weist eine Oberflächenladungsträgerkonzentration in der Größenordnung von etwa 10¹⁸ Atomen/cm^ auf und erstreckt

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sich um etwa 15 Mikrometern(0,6 mils) in den ersten Bereich 54 hinein. Im Ausführungsbeispiel hat der erste Bereich 54, wenn er nach einer Diffusionstechnik hergestellt worden ist, eine Oberflächenladungsträgerkonzentration in der Größenordnung von etwa 10 ^ Atomen/cm . Das Material des Halbleiterkörpers 48 hat ursprünglich eine durchschnittliche Ladungsträgerkonzentration in der

14 /3 Größenordnung von etwa 10 Atomen/cm und der nach dem Bilden des ersten Bereichs 54 verbleibende Bereich vom Material mit dieser Ladungsträgerkonzentration ist etwa 75 Mikrometer (3 mils) dick. Der Teil 76 des vierten Bereichs 74, der in den Halbleiterkörper 48 von der zweiten Hauptfläche 52 aus hineinragt, ist etwa 50 Mikrometer (2 mils) dick und hat vorzugsweise eine Oberflächenladungsträgerkonzentration in der Größenordnung von etwa 5·1Ο¹⁶ Atomen/cm³.

Wie oben erläutert, ist das gekrümmte oder Radiussegment 58 des ersten PN-Übergangs 56 als Folge des Schnittpunktes mit der Oberfläche höchst empfindlich gegenüber einem zerstörenden Spannungsdurchbruch. Im idealen Falle wird der Durchbruchsstrom über dem ganzen großen Bereich des PN-Ubergangs verteilt, wenn der Durchbruch im mittleren Bereich des Halbleiterkörpers stattfindet. Der Strom hat dann eine geringe Dichte und es folgt keine oder nur eine geringe Beschädigung des Bauelements. Wenn jedoch der Durchbruch infolge des Radiuseffekts auftritt, wird der Strom auf den Punkt des Durchbruchs konzentriert und führt wegen der mit den hohen Stromdichten verbundenen hohen Temperaturen zu katastrophalen Beschädigungen des Bauelementes.

Im Bauelement 46 wird durch die Struktur des vierten Bereiches 74 in Kombination mit der oben erläuterten erfindungsgemäßen Randkontur erreicht, daß im wesentlichen voll-

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ständig sichergestellt ist, daß jeder Spannungsdurchbruch des ersten PN-Ubergangs 56 bei oder nahe bei der idealen Durchbruchsspannung des inneren Hauptteils des Halbleiterbauelementes stattfindet. Durch die erfindungsgemäße Struktur wird ferner sichergestellt, daß solch ein Durchbruch, wenn er auftritt, sich längs des Bodensegments 58 des ersten PN-Ubergangs 56 ausbildet. In Fig. 4 ist eine Reihe von Äquipotentiallinien X, X^ und X₂ des elektrischen Feldes in vergrößertem Maßstab dargestellt worden. Die Linien repräsentieren die Grenzen der Verarmungszonen des ersten PN-Ubergangs 56 mit sich vergrößernder Sperrspannung, d. h. X₁ repräsentiert die Ausdehnung der Verarmungszone für eine Sperrspannung, die größer ist als die der Linie X entsprechende Sperrspannung. Ebenso gehört die Linie Xp zu einer Sperrspannung, die größer ist als die der Linie X^ entsprechende Sperrspannung. Da nur der Teil der Verarmungszone für die folgenden Ausführungen wesentlich ist, der vom ersten PN-Übergang 56 zur Kollektorzone hingerichtet ist, ist der Rest der Verarmungszone nicht dargestellt worden.

Die Linie X zeigt, daß die Form der Verarmungszone bei der Ausdehnung längs des Randes 64 infolge der erfindungsgemäßen Randform im wesentlichen die Kurvenform des Radiussegmentes 62 beibehält. Die Linie X-^ stellt einen gebogenen Teil der Grenze der Verarmungszone dar, welche infolge der Verbreiterung des umlaufenden Randes wesentlich weniger ausgeprägt ist als das für die Linie X zutrifft, aber nichtsdestoweniger noch vorhanden ist.

Die Linie X₂ zeigt das Ergebnis, wenn die Verarmungszone im Ausführungsbeispiel den vierten Bereich 74 erreicht. Die Linie Xp erstreckt sich um einen erheblichen kleineren Betrag in dem vorspringenden Teil 76 des vierten Bereichs

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74 hinein als in das umgebende Material des Halbleiterkörpers 48. Wenn der vierte Bereich 74 im wesentlichen als Ebene in den Halbleiterkörper 48 hineinreichte, d. h. der vorspringende Teil 76 nicht vorhanden wäre, würde das Bodensegment der Linie X₂ an dieser Stelle im wesentlichen gleichmäßig bzw. gerade verlaufen. Wie dargestellt liegt jedoch der Teil der Linie X₂, der von dem Radiussegment 62 des ersten PN-Übergangs 56 ausgeht, weiter vom metallurgischen Übergang 56 ab als der Teil, der vom Bodensegment 58 des Übergangs 56 ausgeht. Wie erSutert ist die elektrische Feldstärke daher längs des Radiussegments 62 gegenüber der Feldstärke längs des Bodensegments 58 verkleinert. Mit weiterer Vergrößerung der Sperrspannung dehnt sich die Verarmungszone weiter aus bis am PN-Übergang der Durchschlag stattfindet. Dieser tritt bei dem vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Bauelement längs des Bodensegments 58, d. h. im Kern des-Halbleitermaterials auf.

Die erfindungsgemäße Randkontur des Halbleiterkörpers, insbesondere in Verbindung mit der vorbeschriebenen Struktur des vierten Bereichs 74, führt dazu, daß die Spannungs-Durchschlag-Charakteristik eines Transistors im wesentlichen unabhängig von den Charakteristiken der Strombelastbarkeit und der Schaltschnelle maximiert werden können. Die Ladungsträgerkonzentrationeiund die Tiefen der inneren Bereiche solcher Bauelemente können daher in erster Linie zur Maximierung der Strombelastbarkeit und der Schaltgeschwindigkeit ausgelegt werden. Beispielsweise kann erfindungsgemäß ein Transistor mit einer Nenn-Durchschlag-Spannung von etwa 1.500 Volt, einer Strombelastbarkeit von etwa 5 Ampe're und mit einer Ausschalt-Abfalldauer in der Größenordnung von etwa einer Mikrosekunde leicht hergestellt werden. Wegen dieser Kenndaten ist ein solches Bauelement sehr wertvoll, z. B. als Horizontal-Ablenk-Transistor in einem Fernsehempfänger.

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L e e r s e i t e

Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10Ö2O (V.-St.A.)

Patentansprüche;

Γ1.^Halbleiterbauelement mit einem ursprünglich aus Halbleitermaterial des einen Leitungstyps bestehenden Körper mit sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Hauptflächen und sich zwischen den Hauptflächen erstreckendem, umlaufendem Rand, wobei sich ein erster halbleitender Bereich des anderen Leitungstyps unter Bildung eines ersten PN-Ubergangs mit dem Halbleiterkörper in diesem erstreckt und wobei der PN-Übergang ein im wesentlichen zur ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers senkrecht stehendes Randsegment, ein sich im wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche erstreckendes Bodensegment und ein das Rand- und das Bodensegment verbindendes Radiussegment aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der umlaufende Rand (18) einen an der ersten Hauptfläche (14) im ersten Bereich (20) beginnenden und sich in Richtung auf die zweite Hauptfläche (16) zu einer ersten Terrassenstufe (30) erstreckenden kontuilerten Bereich aufweist, daß die erste Stufe (30) das Randsegment (26) des PN-Ubergangs (22) schneidet und daß der konturierte Bereich sich von einem nahe der Schnittlinie gelegenen Punkt in Richtung auf die zweite Hauptfläche (16) zu einer zweiten Terrassenstufe (32) erstreckt.

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2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und die zweite Stufe (30, 32) im wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche (1A) verlaufen.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe (32) im wesentlichen in derselben Ebene wie das Bodensegment (24) liegt.
4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß auf dem konturierten Bereich eine Passivierungsschicht (34) liegt.
5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe (30) das Randsegment (26) im wesentlichen senkrecht schneidet.
6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeic h n e t , daß in dem ersten halbleitenden Bereich (54) ein an die erste Hauptfläche (50) angrenzender zweiter halbleitender Bereich (68) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist, daß wenigstens ein an die erste Hauptfläche (50) angrenzender dritter halbleitender Bereich (70) vom ersten Leitungstyp innerhalb des zweiten Bereichs (68) vorgesehen ist und daß sich ein an die zweite Hauptfläche (52) angrenzender vierter halbleitender Bereich (74) des ersten Leitungstyps in den Halbleiterkörper (48) hineinerstreckt (Fig. 3).

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7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (68) gegenüber dem ersten Bereich (54) eine vergleichsweise hohe Oberflächenkonzentration der Ladungsträger aufweist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Bereich (74) gegenüber dem Halbleiterkörper (48) eine vergleichsweise hohe Ladungsträgerkonzentration aufweist.
9. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Bereich (74) einen vergleichsweise weiter als der Rest dieses Bereichs in den Halbleiterkörper (48) vorspringenden Teilbereich (76) aufweist.
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vorspringende Teilbereich (76) des vierten Bereichs (74) im wesentlichen vertikal in der Mitte unter dem dritten Bereich (70) liegt.
11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich (70) die Emitterzone, der erste und zweite Bereich (54, 68) die Basiszone und der vierte Bereich (74) zusam men mit dem Material des Halbleiterkörpers (48) die Kollektorzone eines Transistors bildet.

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