DE2805813A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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Description

I 1278011
HALBLEITERANORDNUNG ÄOUOO 1 3
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Durch die Entwicklung der Halbleitertechnologie sind Halbleiterkörper mit mehreren Funktionsbereichen und Schichtenstrukturen fUr gleiche oder unterschiedliche Funktionen herstellbar. Damit wird auch den Forderungen der Anwender nach Halbleiteranordnungen mit immer wirtschaftlicherem Aufbau und geringerem Raumbedarf entsprochen.
Grenzen in einem Halbleiterkörper Funktionsbereiche aneinander, so können je nach Aufbau und Anwendungsfall Ladungsträger aus dem einen Funktionsbereich in den anderen diffundieren. Bei einer entsprechend anliegenden Spannung entstehen durch diese strommäßige Kopplung der Funktionsbereiche unerwünschte Schaltvorgänge. Bei Leistungshalbleiterbauelementen wird dies am Beispiel eines Zweirichtungsthyristorei besonders deutlich. Ist eine der beiden aneinandergrenzenden Schichtenfolgen gezündet, d.h. mit Ladungsträgern Überschwemmt, so entsteht von dort insbesondere im Gebiet der niedrig dotierten Mittelzone eine Bewegung von Minoritätsladungsträgern, aufgrund ihrer in dieser Zone dotierungsbedingt höheren Diffusionslänge, in den nichtgezUndeten benachbarten Funktionsbereich. Die dort derart entstehende Ladungsträgeransammlung kann nach Kommutierung des leitenden Zustandes in diese Schichtenfolge bei entsprechendem Spannungsanstieg zu einer unerwünschten, vorzeitigen Durchschaltung ohne Steuerimpuls und damit zum Verlust der Schalt- und Steuerbarkeit der Anordnung fuhren. Durch diese Erscheinung ist demzufolge
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die kritische Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bein Komiutieren von einer der beiden Durchlaßphasen zur anderen begrenzt.
In entsprechender Weise kann bei einen Halbleiterkörper, der einen Funktionsbereich fUr einen Thyristor und einen weiteren Funktionsbereich für eine Gleichrichterdiode aufweist, durch Bewegung von Ladungsträgern aus den Funktionsbereich der Gleichrichterdiode bei durchgeschaltete« Zustand derselben in den Funktionsbereich des Thyristors bei gesperrten Zustand desselben ein unerwünschtes vorzeitiges Durchschalten des Thyristors eintreten.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten, d.h. zur stro—'rißigen Entkopplung der Funktionsbereiche, ist es z.B. aus der DT-OS 22 61 666 bekannt, durch Eindiffundieren von Schwernetallionen, vorzugsweise von Gold, in einen Flächenabschnitt zwischen den Funktionsbereichen eines Zweirichtungsthyristors eine sogenannte Diffusionsbarriere herzustellen. Dadurch wird zwar die gewünschte Entkopplung erreicht, jedoch sind danit auch die Nachteile einer unerwünschten Erhöhung der Zündwerte und des Durchlaßspannungsabfalls einer solchen Halbleiteranordnung verbunden. Weiterhin ist durch die hohe Diffusionsneigung von Gold in Siliziun eine unkontrollierte Ausbreitung der Schwernetallionen in die beiden Funktionsbereiche gegeben.
Es kann weitergehend auch die Notwendigkeit bestehen, zwei oder nehr Funktionsbereiche, die jeweils getrennten Schaltkreisen zugeordnet sind, jedoch in einen Halbleiterkörper in unterschiedlicher gegenseitiger räumlicher Zuordnung ausgebildet sind, stronnäßig zu entkoppeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Halbleiteranordnungen zu schaffen, bei denen aneinandergrenzende Funktionsbereiche des HaIb-
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leiterkörpers mit gleicher oder unterschiedlicher Funktion und in Zuordnung zu jeweils gemeinsamen oder unterschiedlichen Schaltkreisen ohne Beeinträchtigung der Parameter der Bereiche strommäßig derart entkoppelt sind, daß die jeweilige Wirkungsweise des einen Funktionsbereichs unabhängig vom Ladungszustand des anderen ist.
Die Lösung der Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Nun ist es aus einer Arbeit von Sühn in den Jahresmitteilungen 1977 der IEEE Industry application society, Seite 648 ff bekannt geworden, die Lebensdauer von Ladungsträgern in Halbleiterbauelementen durch Elektronenbestrahlung einzustellen. Dort wird aber die ganzflächige Bestrahlung des Halbleiterkörpers vorgeschlagen, bei welcher in unerwünschter Weise verschiedene Parameter, insbesondere die Zündwerte und auch der Durchlaßspannungsabfall, verändert werden. Diese Maßnahme kann somit keine Lösung der vorliegend genannten Aufgabe sein.
Anhand der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele wird der Gegenstand der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Figur 1 zeigt im Querschnitt eine Anordnung mit je einer Schichtenfolge für einen Thyristor und für eine Gleichrichterdiode. In Figur 2 ist in perspektivischer Darstellung schematisch ein Aufbau für einen Zweirichtungsthyristor gezeigt, und in Figur 3 ist in Draufsicht die Anordnung mehrerer aus einem oder mehreren Teilen bestehenden Volumenabschnitte zwischen den Schichtenfolgen α bis g dargestellt. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
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-C-
Bei einem Aufbau des Halbleiterkörpers gemäß der Darstellung in Figur 1 bildet die aus vier schichtförmigen Zonen abwechselnden Leitungstyps, nämlich einer hochohmigen, η-leitenden, mittleren Zone 1, je einer an deren beiden Seiten angrenzenden, höher dotierten, p-leitenden Zone 2 und 3 und einer in die Basiszone 3 vertieft angeordneten, hochdotierten, η-leitenden Zone 4 bestehende Schichtenfolge eine Thyristorstruktur mit der Steuerelektrode 19. Die Zonen 1 und dieser Struktur sind gleichzeitig auch Zonen der Gleichrichterdiodenstruktur, welche außerdem noch die hochdotierte, η-leitende Zone 31 aufweist. Beide Strukturen sind durch die Elektroden 17 und 18 gemeinsam kontaktiert und durch den Volumenabschnitt 10 getrennt, welcher durch Elektronenbestrahlung erzeugte Kristallgitterstörstellen aufweist. Der Volumenabschnitt 10 durchsetzt die Schichtenfolge zumindest in einer solchen Tiefe, daß zur Vermeidung der unerwünschten Ladungsträgerbewegung zwischen beiden Funktionsbereichen in seinem Verlauf von einer Hauptfläche aus auch die mittlere, hoohohmige Zone einbezogen ist. Die Dicke des Volumenabschnitts ist insoweit wählbar, als sie in seinem ganzen Verlauf wenigstens die Diffusionslänge der Ladungsträger nach der Bestrahlung betragen soll. Dieser Wert ist empirisch feststellbar und gehört nicht zum Gegenstand der Erfindung. Die Anzahl der Kristallgitterstörstellen wird durch die Bestrahlungsdosis der Elektronenstrahlung bestimmt. Mit einer Dosis im Bereich
13 16 2
3 χ 10 bis 5 χ 10 Elektronen pro cm und mit einer Bestrahlungsenergie von circa 0,5 bis 3 MeV sind vorteilhafte Anordnungen gewährleistet. Der Querschnitt des Volumenabschnitts 10 entspricht im wesentlichen an jeder Stelle dem zu bestrahlenden Oberflächenabschnitt.
Figur 2 zeigt den Aufbau eines Zweirichtungsthyristors mit jeweils vier antiparallelen Schichtenfolgen abwechselnden Leitungstyps 2, 1, 3, 5 bzw. 3, 1, 2, 4, die durch den Volumenabschnitt 10 getrennt
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sind und die gemeinsamen Kontaktelektroden 7, 8 sowie die Steuerzone 14 und die gemeinsame Steuerelektrode 9 aufweisen. Der Volumenabschnitt 10 kann sich in seiner Länge durch den ganzen Halbleiterkörper erstrecken. Eine Weiterbildung der Erfindung kann nun darin bestehen, daß der Volumenabschnitt durch Vorgabe der Maskierung abhängig von der jeweils erforderlichen Flächengeometrie, z.B. bei Anordnung von Steuerelektroden eine gewünschte Längsausdehnung aufweist und, wie in Figur 2 gezeigt, nur bis zur Steuerelektrode 9 oder einer gegebenenfalls ■it dieser verbundenen Steuerzone 14 verläuft.
Wie in Figur 3 dargestellt, kann bei Erfordernis komplizierter Schichtstrukturen in Halbleiterkörpern in Weiterbildung der Erfindung der Volumenabschnitt 11 aus Mehreren gegebenenfalls in unterschiedlicher Richtung verlaufenden Bereichen 11a bestehen, bzw. sind mehrere, voneinander getrennte Volumen-Abschnitte 10 innerhalb eines Halbleiterkörpers herstellbar, wodurch jeweils die Funktionsbereiche d bis g bzw. α bis c des Halbleiterkörpers strommäßig entkoppelt sind. Durch optical angepaßte Ausbildung und Anordnung von Volumenabschnitten ist somit die strommäßige Entkopplung von Schichtenfolgen beliebiger Strukturen in Halbleiterkörpern möglich.
Zur Fertigung von Halbleiteranordnungen wird der Halbleiterkörper durch Aufkleben auf einer Unterlage oder durch Haltern in einer Vorrichtung im Strahlengang der Bestrahlungsapparatur angeordnet.
Zur Herstellung des gewünschten Volumenabschnitts wird die zu bestrahlende Oberflache, d.h. eine der Hauptflächen des Halbleiterkörpers, mit einer vorzugsweise aus Netall bestehenden Maske abgedeckt. Z. B. kann eine Maske aus beweglichen Teilen verwendet werden, deren Begrenzungskanten für Volumenabschnitte mit unterschiedlicher Ausdehnung verstellbar sind. Dann wird die Anordnung einer Elektronenstrahlung mit einer
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Dosis im oben angegebenen Bereich ausgesetzt, indem die maskierten und die nicht maskierten Flächenabschnitte gleichzeitig bestrahlt werden. Dadurch können jedoch auf der den Schichtenfolgen zugewandten Flächenteilen der Maske nicht erwünschte Sekundärelektronen erzeugt werden. Zur Vermeidung dieser Erscheinung kann die Bestrahlung auch ohne Maskierung der Halbleiteroberfläche mit Hilfe eines in an sich bekannter Weise gebündelten und gezielt über den vorgesehenen Flächenabschnitt geführten Elektronenstrahls erfolgen.
Der Vorteil der Anordnung von Volumenabschnitten mit durch Elektronenstrahlung erzeugten Kristallgitterstörstellen besteht darin, daß die strommäßige Entkopplung benachbarter Funktionsbereiche ohne Beeinträchtigung weiterer Parameter auf fertigungstechnisch wirtschaftlichstem Wege und in nach Verlauf und Ausdehnung gewünschter Weise erzielbar ist.
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Claims (4)

SEMIKRON Gesellschaft für Gleichr.'.chterl>au und Elektronik m.b.H. 8500 Nürnberg, Sig.nundi,tra3e 200 Telefon 0911 / 65591 - Telex 06 - 22155 8. Februar 1978 PA - Bu/wl I 1278011 PATENTANSPRÜCHE
1.^Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der aus wenigstens zwei, mit ihren äußeren Zonen jeweils eine gemeinsame Oberfläche zur Kontaktierung des Halbleiterkörpers bildenden Schichtenfolgen mit jeweils wenigstens einem pn-Übergang besteht und auf jeder Oberfläche jeweils wenigstens teilweise mindestens eine Laststromelektrode sowie bei Schichtenfolgen für steuerbare Halbleiterbauelemente an deren jeweils funktionsbestimmter Basiszone eine Steuerelektrode aufweist, und bei dem die Schichtenfolgen zur gegenseitigen strommäßigen Entkopplung jeweils durch einen den Halbleiterkörper von einer Oberfläche aus wenigstens teilweise durchsetzenden Volumenabschnitt getrennt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Volumenabschnitt (10, Π ) durch Elektronenbestrahlung erzeugte Kristallgitterstörstellen aufweist und in der für die Trennung beliebiger Schichtenfolgen jeweils günstigsten Ausbildung und Ausdehnung angeordnet ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Volumenabschnitts der ein- oder mehrfachen Diffusionslänge der Ladungsträger nach der Bestrahlung und sein Querschnitt im wesentlichen dem zu bestrahlenden Oberflächenabschnitt entspricht.
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3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenabschnitt (11) aus zwei oder mehr Teilen (lla) mit durch Lage und Ausbildung der Schichtenfolgen bestimmter Ausdehnung und Anordnung besteht.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Volumenabschnitte vorgesehen sind.
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