DE3008034A1 - Elektrodenvorrichtung fuer eine halbleitervorrichtung - Google Patents

Elektrodenvorrichtung fuer eine halbleitervorrichtung

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Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN 7032 Sindelfingen -auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 Telefon 07031/86501
~y~ Telex 7265509 rose d
12 037
29. Februar 1980
Nippon Telegraph & Telephone Public Corporation, 1-6 Uchisaiwaicho 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan
ELEKTRODENVORRICHTUNG FÜR EINE HALBLEITERVORRICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei bekannten Halbleiter-Vorrichtungen ist der Aufbau der Elektroden im Hinblick auf das Verhalten der Majoritätsträger ausgelegt und bestimmt worden und nicht im Hinblick auf die Minoritätsträger, die einen grossen Einfluss auf die Eigenschaften der Halbleitervorrichtung haben. Zum Beispiel besitzen bei bekannten Flächen-Halbleiterdioden (Fig. 1) vom P-N-Typ die Diode eine P Schicht 11 mit hoher Verunreinigungs-Konzentration, einen P Halbleiterbereich 12 mit einer niederen Verunreinigungs-Konzentration, eine N Halbleiterschicht 13 mit N-Verunreinigungen hoher Konzentration und Meta 11-Elektroden 14 und 15, die in sich diesen Aufbau aus Schichten und Bereichen einschliessen.
Wenn an die Elektroden" eine Durchlass-Spannung angelegt wird, dann können die
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Majoritätsträger (in diesem Fall Löcher) durch die P " Schicht 12, P + Schicht 11 und die Metall-Elektrode 14 mit Hilfe ihrer freien Weglänge innerhalb des Valencebandes sich hindurchbewegen. Dies ist in Fig. 2 gezeigt. Minoritätsträger (in diesem Falle Elektronen) jedoch, die aus der N Schicht 13 in die P Schicht 12 injiziert wurden und von der P Schicht 12 sich zur Metall-Elektrode 14 bewegen, werden normalerweise reflektiert und durch eine Potential-Sperre G^ eines hbch/Nieder-Übergangs angesammelt, der zwischen der P Schicht 12 und P Schicht 11 sich gebildet hat, so dass die Strom-Weiterführung bei diesen bekannten P-N Dioden vermindert wird, was sich in einem hohen Spannungsabfall in. Durchlass-Richtung äussert. Ein weiterer Nachteil der bekannten P-N Dioden ist ihre langsame Erholung, was von den Minoritätsträgern kommt, die an dem Hoch/Nieder-Übergang angesammelt werden. Diese Phänomene wurden bereits in dem nachfolgenden Artikel beschrieben: "On Carrier Accumulation And the Properties of Certain Semiconductor Junctions" , verfasst von J. B. Gunn für J. Electron Contr. (Band 4, Seiten 17 - 50, 1958).
Um das oben erwähnte Problem zu lösen, könnte man sich vorstellen, den P Bereich Π zu entfernen. Dies ist jedoch nicht durchführbar, da man den P Bereich 12 dazu be-
17 3
nötigt, zu einer Verunreinigungs-Konzentration kleiner als 10 /cm zukommen, um eine genügend hohe Sperr-Blockierspannung zu erhalten. In Fällen einer so niederen Verunreinigungs-Konzentration erscheint ein extrem hoher Kontakt-Widerstand zwischen dem Halbleiter und der Metall-Elektrode, was sich in einem hohen Spannungsabfall in Durchlassrichtung äussert. Um die Schwierigkeit mit dem Kontakt-Widerstand zu
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vermeiden, wäre es vom Stand der Technik aus gesehen notwendig, dass der P
18 3 Bereich 11 eine Verunreinigungs-Konzentration höher als 1x10 /cm hat.
Aus diesem Grund kann die bekannte Halbleiter-Diode nicht anders als einen relativ grossen Spannungsabfall in Durchlass-Richtung in Kauf zu nehmen, wodurch hohe Energieverluste entstehen. Darüberhinaus sind die Minoritätsträger wie oben erwähnt in der Halbleiterschicht 12 angesammelt, wodurch die Erholungszeit-Konstante in Sperr-Richtung vergrössert wird und die Sperr-Erholungszeit sich verlängert.
Schwierigkeiten dieser Art findet man nicht nur bei Dioden sondern auch bei anderen Halbleiter-Vorrichtungen wie Tyristoren, Transistoren usw.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Verluste herabzusetzen. Ferner strebt die Erfindung an, die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Durch die erfindungsgemässe Elektrode erhält man für die Minoritätsträger Passagen, die zwischen der leitenden Schicht und der Halbleiterschicht nahe den Passagen für die Majoritätsträger liegen. Daher bildet sich keine Potentialschwelle für Minoritätsträger und Majoritätsträger zwischen diesen Schichten, so dass die freie Beweglichkeit der Minoritäts- und Majoritätsträger überhaupt nicht behindert wird. Zur gleichen Zeit kann der Elektroden-Aufbau wirksam Minoritätsträger absorbieren, die aus der Halbleiterschicht kommen.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand des Stands der Technik und bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den Aufbau einer bekannten Elektrode, die in Halbleiter-Vorrichtungen verwendet wird,
Fig. 2 ein Schaubild, das die Energie-Niveaus im Halbleiter nach Fig. 1 darstellt,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die erfindungsgemässe Elektrode, Fig. 4 ein Schaubild bezüglich der Energie-Niveaus im Halbleiter nach Fig. 3, Fig. 5a,
5d Beispiele, wie man P - N Mosaik-Musterschichten anordnen kann,
Fig. 6 einen Querschnitt durch ein anderes erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel, Fig. 7 ein SchauDiId des Energie-Niveaus im Halbleiter nach Fig. 6,
Fig. 8 ein Quersc'initt des P-N Übergangs einer erfindungsgemässen Halbleiter-Diode,
Fig. 9 einen Kurvenverlauf zur Erläuterung der Durchlass-Spannung/Durchlass-Stromdichten-Eigenschaften der Diode aus Fig. 8,
Fig. 10 einen Kurvenverlauf zur Erläuterung der Durchlass-Stromdichte-Erholungs-Zeitkonstante der Diode nach Fig. 8,
Fig. Π einen Querschnitt durch eine Diode mit P - i - N-Ubergang auf die die Erfindung angewendet wurde,
Fig. 12 einen Querschnitt, durch einen PNPN -Tyrister, auf den die Erfindung
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angewendet wurde,
Fig. 13 einen Querschnitt durch einen statischen lnduktions-Tyrister, auf den die
Erfindung angewendet wurde und
Fig. 14
und 15 einen Querschnitt durch Dioden mit P-N Übergängen, auf die die Erfindung ebenfalls angewendet wurde.
Gemäss Fig. 3 hat eine P Halbleiterschicht 20 P-Verunreinigungen oder Bor mit einer
15 3
Konzentration von 10 /cm . Auf der Halbleiterschicht 20 befinden sich kleine Bereiche 21 und 22 vom P -Typ und auch vom N -Typ, die Seite an Seite angeordnet sind, so dass sich ein P - N -Muster wiederholt. Der Bereich 21 umfasst P-Verunreinigungen oder Bor Gallium bis zu einer Menge, dass seine Oberflächen-Verunreinigungskonzentration
18 3
bei etwa 5x10 /cm liegt, während der Bereich 22 N-Verunreinigungen oder Phosphor oder Arsen einer solchen Menge enthält, dass die Oberflächen-Konzentration zu etwa
19 3
5x10 /cm wird. Daraufhin wird eine leitende Schicht 23 z.B. aus Chrom, Nickel, Molybdän, Aluminium usw. auf den Bereichen 24 gebildet, die eine Wiederholung des P - N - Musters darstellen.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau spielt der P -Bereich 21 eine Rolle beim Transport der Majoritötsträger oder Löcher von der leitenden Schicht 23 zur Halbleiterschicht 20 oder umgekehrt. Diese Verhältnisse können die gleichen wie im Stand der Technik sein. Die zwischen 2 P -Bereichen liegenden N Bereiche 22 - und die an diese angrenzen - spielen jedoch beim vorliegenden Aufbau eine solche Rolle beim Übertragen, von Minoritätsträgern aus der Halbleiterschicht 20 in die leitende Schicht 23.
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Anhand der Fig. 4 wird nun der Elektroden-Aufbau vom Energie-Niveau her erklärt. Wie im Fall des Stands der Technik ist es hier genau so# dass die Majoritätsträger oder Löcher das Valence-Band durchlaufen können, und zwar auf dem Weg leitende Schicht 23 - P Bereich 21 - Halbleiterschicht 20 oder umgekehrt. Einerseits befinden sich Minoritätsträger oder Elektronen in der Halbleiterschicht 20 im Leitungsband des P Bereichs. Dies ist auch im Stand der Technik der Fall. Das Leitungsband des P Bereichs 21 befindet sich auf einem höheren Energie-Niveau als der P Bereich und es wird daher eine Potential sperre p geschaffen. Gemäss der vorliegenden Erfindung ist der N Bereich 22 so gestaltet, dass er an den P Bereich 21 angrenzt und sein Leitungsband ein niedereres Energie-Niveau hat als dasjenige des P Bereichs 20. Deshalb können die Elektronen im Leitungsband des P Bereichs 20 si jh gemäss der gestrichelten Linie in das niederere Leitungsband-Niveau des N Bereichs 22 bewegen und dann die leitende Schicht 23 erreichen. In anderen Worten: Minoritätsträger und Majoritätsträger werden veranlasst, auf Wegen zu laufen, die ihnen jeweils zugeordnet wurden . Daher erfolgt die Bewegung der Träger mit einem gleitenden Übergang. Dadurch wird der Spannungsabfall einer Vorrichtung mit einem solchen Aufbau erheblich vermindert und es werden unnötige Verluste vermieden, die bei dem bekannten Elektrodenaufbau unvermeidlich waren. Weiterhin: Mit dem erfindungsgemässen Elektroden-Aufbau wird die Ansammlung von Minoritätsträgern ziemlich ausgeschaltet, was bei bekannten Vorrichtungen erhebliche Probleme bereitet hat. Vorrichtungen mit einem erfindungsgemässen Elektroden-Aufbau können bei genügend hohen Geschwindigkeiten zufriedenstellend betätigt werden. Weiterhin: Es sei darauf hingewiesen, dass keine besonderen Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit des vorliegenden P - N' Mosaikmusters 24 zu stellen sind, da das
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Mosaik-Muster lediglich benötigt wird, um Durchgänge für die jeweiligen Träger zu bilden. Es ist daher nicht notwendig, dass man die Maksen ganz genau ausrichtet und im Hinblick auf den vorliegenden Zweck kann man kleine Musterfehler zulassen.
Die Figuren 5A bis 5D zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des Mosaikmusters 24. Bei den jeweiligen Beispielen ist es offensichtlich, dass die P Bereiche und N Bereiche austauschbar sind. Das Flächenverhältnis der Bereiche 21 und 22 ist so zu bestimmen, dass man ein sanfteres Durchleiten der Majoritätsträger und Minoritätsträger erhält. Zum Beispiel kann der folgende Zahlenbereich vorgezogen werden, nämlich:
Gesamtfläche des N Bereichs 22
Gesamtfläche des P + Bereichs 21
0.05 bis
Wenn man das oben erwähnte Flächenverhältnis bestimmt, dann muss man offensichtlich die Verunreinigungs-Konzentration in den jeweiligen Bereichen und auch die Tiefe der Bereiche berücksichtigen.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Sie unterscheidet sich von Fig. 3 insofern, als der Durchlass für die Minoritätsträger aus der P Halbleiterschichf 20 zur leitenden Schicht 23 durch einen Schottky-Sperrbe reich 27 gebildet wird. Bei diesem Aufbau werden die P Bereiche 21 selektiv auf der P Halbleiterschicht 20 gebildet, womit man die Durchlässe für die Majoritätsträger zwischen der Halbleiterschicht 20 und der leitenden Schicht 23 schafft. Dann wird auf den P Bereichen 21 und den übrigbleibenden P " Bereichen 28 eine Metallschicht als Elektrode 23 gebildet, indem man
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ein Metall wie Chrom, Nickel Molybdän und Aluminium verwendet. Dementsprechend erreicht man, dass die übrig bleibenden Bereiche 28 in direkten Kontakt mit der leitenden Metallschicht 23 kommen, und zwar durch den Schottky-Sperrbereich 27, der zwischen ihnen liegend hergestellt wurde.
Gemäss diesem Aufbau werden die Durchlässe für die Majoritätsträger zwischen der Halbleiterschicht 20 und der leitenden Schicht 23 durch P + Bereiche 21 gebildet, die mit einer hohen Konzentration des gleichen Typs von Verunreinigungen dotiert sind, wie die Halbleiterschicht 20. Dagegen werden die Durchlässe für die Minoritätsträger durch die Schottky-Sperrbereiche 27 gebildet.
Ein noch genaueres Verständnis hierfür gewinnt man hinsichtlich des Aufbaus nach Fig. aus der Aufzeichnung des Energie-Niveaus (Fig. 7). Majoritätsträger oder Löcher durchlaufen das Valence-Band und haben keine Potentialsperre wegen der gleichen Verhältnisse, wie sie im Hinblick auf die obigen Ausführungsbeispiele erläutert wurden. Auf der einen Seite werden in dem Leitungsband der Halbleiterschicht 20 befindliche Elektronen durch die Schottky-Sperrbereiche 27 in die leitende Schicht 23 eingeführt, die wenig tiefer liegen als das Leitungsband-Energie-Niveau der Halbleiterschicht 20. Hinsichtlich dein Mosaikmustern, die durch eine grössere Anzahl von P Bereichen 21 und Schottky-Sperrbereiche 27 auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 20 gezeichnet wurden, ist es auch möglich, Muster zu verwenden, die schon anhand der Fig. 5A bis 5D beschrieben wurden. Das Mosaikmuster 24a erhält man, indem man lediglich N Bereiche dieser Figuren durch Schottky-Bereiche 27 ersetzt.
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Wie schon In Verbindung mit Fig. 3 beschrieben und gemäss dem oben beschriebenen Elektroden-Aufbau wird die Bewegung der Majoritätsträger und Minoritätsträger Sn einem grossen Ausmass weich gemacht·, so dass der Spannungsabfall der Halbleiter-Vorrichtungen mit einem solchen Elektroden-Aufbau wesentlich verbessert wird und der Verlust dieser Vorrichtungen vermindert wird. Mit dem oben erwähnten Elektroden-Aufbau wird -es darüber hinaus möglich insofern verbesserte Halbleiter-Vorrichtungen zu schaffen, als dass bei ihnen die Ansammlung von Minoritätsträgern vernachlässigbar ist, was für Hochgeschwindigkeits-Arbeit vorteilhaft ist. Darüberhinaus werden die Schottky-Sperrbereiche bei diesem Elektroden-Aufbau nur zur Bildung von Durchlässen für die Minoritätsträger verwendet und sie müssen keine grossen Sperrspannungen haben, so dass man sie leicht herstellen kann, ohne auf spezielle Herstellungsverfahren zurückgreifen zu müssen.
Der oben erwähnte Elektroden-Aufbau wird durch die folgenden Schritte gebildet:
Es sei angenommen, dass man von einem Halbleiterbereich mit einem P Leitfähigkeifs-Typ ausgeht. Beim ersten Schritt diffundiert man nun P-Verunreinigungen wie Bor oder Gallium in. die Oberfläche des P Halbleiterbereichs hinein, so dass sich diffundierte P Bereiche
19 3 bilden, die eine Verunreinigungs-Konzentration von 1x10 /cm und einer Tiefe von etwa 1 Mikron haben. Im zweiten Schritt werden nun Verunreinigungen vom N-Typ eindiffundiert, wie z.B. Phosphor oder Arsen, so dass sich selektiv N Bereiche mit
20 3 einer Verunreinigungs-Konzentration von 1x10 /cm und einer Tiefe bilden, die unterhalb der P Bereiche liegt, Z.B. kann die Tiefe I „2 Mikron betragen. Der dritte
Schritt besteht dann darin, Metall wie Aluminium auf der gesamten Oberfläche des P - N Mosaik-Musters niederzuschlagen.
Neben dem oben beschriebenen Formierverfahren gemäss der Erfindung können auch noch folgende Schritte getan werden, um zum gleichen Aufbau zu kommen:
Zuerst wird auf dem P Halbleiterbereich eine N Halbleiterschicht formiert, und zwar mit Hilfe von Dampfphasen-Epitaxie, so dass man in ihr N-Verunreinigungen, wie
18 3 Phosphor oder Arsen mit einer Konzentration von 5x10 /cm und einer Tiefe von etwa 1 Mikron erzielt. Daraufhin werden P-Verunreinigungen we Bor selektiv in die
epitaxial gewachsene N Schicht eindiffundiert, so dass sich P Bereiche mit einer
19 3
Verunreinigungs-Konzentration von 5x10 /cm und einer Tiefe bilden, die unter der N Schicht liegt. Die Tiefe kann z.B. 1,5 Mikron sein. Nach diesem Schritt wird auf der gesamten Oberfläche Metall niedergeschlagen, auf der das P - N Mosaik-Muster erzeugt wurde.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung des Elektroden-Aufbaus nach der Erfindung ist ebenfalls möglich: Es umfasst die Schritte, gemäss denen P-Verunreinigungen wie Bor selektiv in die Oberfläche des P Halbleiterbereichs eindiffundiert werden, so dass
+ 19 3
sich P Bereiche mit einer Verunreinigungs-Konzentration von 5x10 /cm und einer Tiefe von etwa 1 Mikron bilden. Auf die gesamte Oberfläche (einschliesslich den P Bereichen) wird dann durch Ionen-Implantation oder Diffusion von N-Verunreinigungen wie Phosphor oder Arsen nunmehr N Bereiche geschaffen, und zwar an den anderen Stellen, an denen nicht schon P Bereiche gebildet worden sind.
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-U-
+ 19 3
Die·N Bereiche haben eine Verunreinigungs-Konzentration von 1x10 /cm und eine Tiefe von 0,5 Mikron. Man bildet dann eine Metallschicht auf der behandelten Oberfläche, die einen ohmschen Kontakt bildet. In diesem Fall werden natürlich schon in die bereits gebildeten P Bereiche !^-Verunreinigungen implantiert oder diffundiert. Dies bildet jedoch für die P Bereiche keine Schwierigkeit weil die Verunreinigungs-Konzentration der P Bereiche genügend höher gemacht wurde gegenüber der Konzentration der implantierten oder diffundierten N-Verunreinigungen.
Ein weiteres Verfahren zur Hersfellung des Elektroden-Aufbaus nach der Erfindung verläuft wie folgt: Man diffundiert P-Verunreinigungen wie Bor selektiv in die Oberfläche des P Bereichs, damit sich P Bereiche bilden, die eine Verunreinigungs-Konzentration
19 3
von 5x10 /cm bei einer Tiefe von etwa 1 Mikron bilden. Dann bildet man eine Metallschicht, wie z.B. eine Nickelschicht, zwecks Hersfellung eines ohmschen Kontakts
+ —
auf der Oberfläche der P Bereiche und einen Schottky-Kontakt mit der restlichen P Oberfläche.
Es wird nun die Anwendung der Erfindung auf verschiedene Halbleitervorrichtungen beschrieben. Fig. 8 zeigt im Querschnitt die Anwendung der Erfindung auf den P-N Übergang einer Gleichrichter-Diode. Die Diode 31 umfasst ein N-Substrat 33 mit einer Antimon-
18 *?
Konzentration von 5x10 /cm (Widerstand von 0,01 ohm χ cm) und einer Dicke von etwa 300 Mikron. Eine Nickel-Elektrode bildet den Kontakt zu seiner eigenen Oberfläche. Auf der anderen Oberfläche des N-Substrats 33 ist eine P Schicht 34 niedergeschlagen, und zwar mit einem Dampfphasen-Epitaxie-Verfahren. Sie enthält Bor mit
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12 037 - 15 -
15 3
einer Konzentration von 5x10 /cm und hat eine Dicke von etwa 10 Mikron.
Mit der anderen Oberfläche der P " Schicht 34 ist eine Mosaik-Schicht 38 gebildet worden, die im Kontakt mit dieser anderen Oberfläche der P Schicht 34 steht. Sie umfasst diffundierte P Bereiche 36, die an ihrer Oberfläche eine Bor Konzentration
18 3 +
von 5x10 fan haben und 1 Mikron tief sind. Ferner sind dort N Bereiche 37
20 3 mit einer Phosphor-Konzentration von 5x10 /cm und einer Tiefe von 1 Mikron vorgesehen. Eine weitere Nickelschicht 39 kontaktiert die Mosaik-Schicht 38.
Die aus den Fig. 9 und 10 ersichtlichen Eigenschaften wurden bei einer Temperatur von 25 C beobachtet. Die Linie b stellt die entsprechenden Eigenschaften bekannter Dioden dar, die den gleichen Aufbau wie die Diode 31 mit derjenigen Ausnahme haben, dass die Mosaikschicht 38 durch eine diffundierte P Schicht ersetzt wurde, die eine
18 3
Bor-Konzentration von 5x10 /cm und eine Tiefe von 1 Mikron hat. Aus dem Vergleich der Eigenschaften der Kurven α und b sieht man, dass der Sperrspannungsabfall
2
Vj- bei einer Sperrstromdichte von lOA/cm etwa 0,63 Volt für eine Diode gemäss der Erfindung ist, während die bekannte Diode einen Abfall von 0,78 Volt hat.
2
Wenn die Stromdichte etwa lOOA/cm beträgt, dann wird der Sperrspannungsabfall der Diode nach der Erfindung zu 0,71 Volt, während der für bekannte Dioden zu 0,83 Volt wird. Wie man aus diesen Eigenschaftsunterschieden sieht, bringt die Diode 31 nach der Erfindung bemerkenswerte Fortschritte insofern, als dec Sperrspannungsabfall bei einer bestimmten Stromdichte erheblich gesenkt wird, wenn man den Vergleich mit bekannten Dioden zieht. Man erhält daher niedrigere Verluste. Vergleicht man die Dioden-Eigenschaften, weiche in der Fig. 10 durch die Kurven α und b dargestellt sind,
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so sieht man, dass die Erholungs-Zeitkonstante in Sperr-Richtung tr bei einer Durch-
2
lass-Stromdichte von lOA/cm etwa 4,5 nS im Falle der Diode 31 ist, während sie im Stand der Technik bei 290 nS liegt. Wenn die Stromdichte 100A/cm2 beträgt, dann hat die Diode 31 eine Zeitkonstante von 3,5 nS, während diese Zeit beim Stand der Technik bei 95 nS liegt.
Aus den obigen Ergebnissen kann man klar sehen, dass die Sperr-Erholungszeit tr der erfindungsgemässen Diode extrem kleiner als bei Dioden nach dem Stand der Technik ist. Aus diesem Umstand schliesst man weiterhin, dass die Speicherladung in dieser Diode bemerkenswert kleiner ist. Dies bedeutet, dass die Diode nach der Erfindung der Anforderung nach schnelleren Schaltvorgängen gerecht werden kann, und zwar wesentlich mehr als die Dioden nach dem Stand der Technik.
Fig. 11 zeigt eine weitere Anwendung der Erfindung auf eine Diode mit P-i-N Aufbau. Der Unterschied zur Anwendung auf die Fig. 8 liegt darin, dass zwischen der P Schicht 34 und N Schicht 33 eine N Schicht 40 vorgesehen ist, die einen hohen Widerstandswert hat und so gestaltet ist, dass sie die Sperrspannung der Diode verbessert. In diesem Anwendungsfall erhält man dementsprechend die gleichen Wirkungen und Vorteile wie in Fig. 8. In Fig. 11 können die N Bereiche 37 wie in Fig. 6 durch Schottky-Sperrbereiche ersetzt werden.
Der PNPN Tyristor nach Fig. 12 ist eine Halbleitervorrichtung vom 3-Tor Typ und wird weithin zu Zwecken elektronischer Steuerung verwendet, so dass man bisher
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stets versucht hat, seinen Verlust herunterzusetzen und gleichzeitig die Schaltgeschwindigkeit heraufzusetzen. Der Tyristor 45 umfasst eine N Schicht 47 mit einer
14 3
Verunreinigungs-Konzentration von 5x10 /cm und einer Dicke von 50 Mikron.
Ferner eine P-Schicht 48, die auf einer Oberfläche der N " Schicht 47 gebildet wurde, wobei die P-Schicht 48 eine Oberflächen-Verunreinigungskonzentration
18 3
von 5x10 /cm und eine Tiefe von etwa 10 Mikron hat und als Gate- Bereich verwendet wird. Ferner eine Gate-Elektrode 49, die auf der Oberfläche der P-Schicht 48 gebildet wurde. Ferner einen N Bereich 51, der auf der Oberfläche der Gate-Elektrode 49 gebildet wurde, wobei der N Bereich 51 eine Oberflächenverunreinigungs-
19 3
Konzentration von 2x10 /cm und eine Tiefe von etwa 5 Mikron hat und als Kathodenbereich verwendet wird. Ferner eine Kathoden-Elektrode 53, die auf dem N Bereich 51 gebildet wurde. Ferner ein P Bereich 55, der auf der N Schicht 47 gebildet wurde,
16 *? welcher P Bereich 55 eine Verunreinigungs-Konzentration von 4x10 /cm und eine Dicke von etwa 5 Mikron hat und als Anoden-Bereich verwendet wird. Ferner eine Mosaik-Schicht 58 mit einer Dicke von etwa 2 Mikron, die eine grössere Anzahl von P Bereichen 56 und N Bereichen 57 umfasst, die auf dem P Bereich gebildet wurden.
Die P Bereiche und N Bereiche haben eine Verunreinigungs-Konzentration von
19 3 19 3
1x10 /cm bzw. 5 χ 10 /cm . Schliesslich eine weitere Elektrode 59, die über deren Mosaik-Schicht 58 liegt.
Wenn der Tyristor gemäss dem obigen Aufbau mit bekannten Tyristoren verglichen wird, dann erhält man gemäss Tabelle I die folgenden Ergebnisse. In diesem Fall sind die be-
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-18-
kannten Tyristoren vom gleichen Aufbau wie der Tyristor 45, mit der Ausnahme, dass die Mosaik-Schicht 58 durch einen P Bereich ersetzt wurde.
Tabelle 1
VF tr
Tyristor 45 0-89 0.086
bekannter Tyristor 1 1
Hinweise:
1. Die Werte für den Tyristor 45 sind insofern normiert, als die Werte des be kannven Tyristors zu 1 gemacht worden sind.
2. Die Messung erfolgte bei einer Stromdichte von
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, hat der erfindungsgemässe Tyristor sprunghaft bessere Eigenschaften hinsichtlich des Verlustes als auch des Schaltverhaltens bei hohen Geschwindigkeiten,
Fig. 13 zeigt einen Fall, bei dem die Erfindung auf einen induktiven statischen Tyristor angewendet wurde. Diese Vorrichtung ist ein feldgesteuerter Tyristor, der mit einer Anzahl wünschenswerter Eigenschaften ausgestattet ist. Z.B. kann er ein
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Tor abschalten und schneller umschalten als bekannte Übliche Transistoren. Ferner hat er einen kleinen Durchlass-Spannungsabfall und sehr gute di/dt und dv/dt Eigenschaften. Weiterhin kann er zufriedenstellend unter hohen Temperaturen betrieben werden . Wie Fig. 13 zeigt, hat der Tyristor 61 einen N Bereich 63, der auf einer Oberfläche einer N Schicht 62 gebildet wurde und die eine Verunreinigungs-Konzentration
ΛΑΟ JL.
von 5x10 /cm und die Dicke von etwa 60 Mikron hat. Der N Bereich hat eine
19 3 Oberflächen-Verunreinigungs-Konzentration von 2x10 /cm , eine Dicke von 2 Mikron und wird als Kathoden-Bereich verwendet, auf dem eine Kathoden-Elektrode 64 gebildet wird. Der Tyristor 61 umfasst weiterhin einen P Bereich 66, der als Gate-Bereich ausgebildet ist und auf der N Schicht 62 liegt, die den N Bereich 63 umgibt und die
18 3 eine Oberflächen-Verunreinigungs-Konzentration von 5x10 /cm und eine Tiefe von 10 Mikron hat. Der P Bereich 66 besitzt eine auf ihm gebildete Gate-Elektrode 67. Der Tyristor 61 ist weiterhin mit einer P ~ Schicht 69 ausgestattet, die auf der anderen Oberfläche der N Schicht o2 gebildet ist und eine Verunreinigungs-Konzentration
16 3 —
von 4x10 /cm und eine Dicke von etwa 5 Mikron hat. Auf der P Schicht 69 ist eine Mosaik-Schicht 72 vorgesehen, die aus einer grösseren Anzahl von P Bereichen 70 und N Bereichen 71 besteht und eine Dicke von etwa 2 Mikron hat. Die P Bereiche
+ 19 3
und N Bereiche haben eine Verunreinigungs-Konzentration von 1x10 /cm und
19 2
5x10 /cm jeweils. Weiterhin hat der Tyristor 61 eine Anoden-Elektrode 73, die über der oberen Oberfläche der Mosaik-Schicht 72 Hegt.
Der Tyristor 61 mit dem obigen Aufbau wurde im Vergleich zu einem bekannten Tyristor untersucht. Als Ergebnis erhielt man die nachfolgenden Daten hinsichtlich des Durchlass-
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12 037
Spannungsabfalls V_ und der Sperr-Erholungszeit-Konstanten tr. Die Untersuchungen wurden unter den gleichen Bedingungen wie gemäss Fig, 12 ausgeführt. Es war daher
9
die Stromdichte lOOA/cm . Die in der Tabelle Il gezeigten Werte sind Relativ-Werte, da der Wert für den bekannten Transistor auf 1 normiert wurde.
Tabelle Il
VF tr
Tyrlstor 61 0.88 0.095
bekdnnter Tyristor 1 1
Aus der obigen Tabelle kann man ohne weiteres sehen, dass der statisch in den Leitungszustand steuerbare Tyristor sehr verbessert wurde, indem der Verlust herabgesetzt wurde und er nun schnell geschaltet werden kann.
Wie bei der Besprechung in mehreren obigen Abschnitten erwähnt wurde, kann die verwendete Mosaik-Schicht bei jeder Vorrichtung so aussehen, wie in Fig. 3. Offensichtlich kann man auch Mosaik-Schichten mit anderen Mustern in diesen Anwendungsfällen verwenden. Man kann z.B. eine Mosaik-Schicht mit einem Muster aus P Bereichen und Schottky-Sperrschichten verwenden, wie dies Fig. 6 zeigt.
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12 037 - 2'1 -
Weiterhin würde bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 festgestellt, dass die leitende Schicht 23 aus Metall ist. Offensichtlich kann diese leitende Metallschicht 23 auch durch eine hochdotierte Halbleiterschicht oder P Schicht ersetzt werden. In diesem Falle sollte eine P Schicht wie die Schicht 23 und die N Bereiche 22 stark dotiert sein, vorzugsweise mit einer Verunreinigungs-Konzentration höher als
19 /3
5x10 cm/ . Diese Konzentration wird notwendig sein, damit man «ine elektrische Leitung aufgrund des Tunnel-Effekts zwischen der P Schicht 23 und dem N Bereichen 22 erzielen kann. Es ist natürlich auch möglich, die leitende Schicht 23 aus einer stark dotierten N Halbleiterschicht herzustellen.
Fig. 14 zeigt den Querschnitt durch eine Diode mit P-N Übergang, deren leitende Schicht gemäss der obigen Modifikation ausgelegt ist. Die Diode 75 umfasst eine N
18 3 Schicht 76 mit einer Verunreinigungs-Konzentration von 5x10 /cm und einer Dicke von etwa 300 Mikron; ferner eine MetalI-Elektrode 77 in Kontakt mit einer Oberfläche der N Schicht 76; ferner eine P Schicht 78 auf der anderen Ober-
+ 15
fläche der N Schicht 76 und die eine Verunreinigungs-Konzentration von 5x10 /cm und eine Dicke von etwa 10 Mikron hai;, ferner eine Mosaik-Schicht 81 auf der P Schicht 78, die aus einer grösseren Anzahl von P Bereichen 79 und N Bereichen 80 besteht, wobei die P Bereiche 79 eine Verunreinigung-Fonzentration von
19 3 +
1x10 /cm und eine Tiefe von 1 Mikron haben und die N Bereiche 80 eine Ver-
20 3
unreinigungs-Konzentration von 2 χ 10 /cm und 0,5 Mikron Tiefe haben; ferner eine Polycrystalline P Schicht 82 aus Silizium, die die Funktion einer Elektrode hat und die über der Mosaik-Schicht 81 liegt und eine Verunreinigungs-Konzentration von
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12 037 - 2'2 -
* 20 ·3
3x10 /cm hat und etwa 2 Mikron dick ist.
Bei dieser Konstruktion erreichen die Majoritätsträger (in diesem Fall Löcher) aus dem P " Bereich 78 die Polycristalline P + Schicht 82 durch den P + Bereich 79, während die Minoritätsträger (in diesem Fall Elektronen) aus dem P B · ich 78 die Polycrystalline P Schicht 82 aus Silizium durch die N Bereiche 80 erreichen. Dementsprechend wird der Verlust der Diode 7'5 kleiner als bei den bekannten Dioden und die Ladungsspeicherung und die Erholungszeit-Konstante werden kleiner, so dass man schnellere Schaltoperationen der Diode erhält.
Im Zusammenhang mit Fig. 14 sei darauf hingewiesen, dass eine Metallschicht 83, wie z.B. eine Aluminiumschicht zur P Schicht 82 hinzugefügt werden kann, wenn dies notwendig ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 werden N Bereiche oder Schottky Sperrbereiche als Möglichkeiten für den Durchgang der Minoritätsträger oder Elektronen verwendet. Stattdessen kann die gleiche Wirkung auch dadurch hervorgerufen werden, indem man Bereiche vorsieht, in denen das Leitungsband-Energie-Niveau niederer als in den P Bereichen ist, die das Mosaik-Muster bilden und die als Durchlass für die Majoritätsträger oder Löcher verwendet werden. Mit anderen Worten: Die gleiche Wirkung und die gleichen Vorteile können durch die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele erreicht werden, indem man eine Mosaik-Schicht mit einem anderen Muster
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12 037 23 -
verwendet, die aus P Bereichen und P Bereichen besteht. In diesem Fall haben natürlich die P Bereiche eine niederere Verunreinigungs-Konzentration als die P Bereiche. Darüberhinaus sind sie in der gleichen Art wie bei den anderen Ausführungsbeispielen angeordnet. Das Flächenverhältnis von P Bereichen zu P Bereichen kann zwischen den Werten 0,05 und 50 schwanken.
Fig. 15 zeigt den Aufbau einer Diode 85 mit P N-Ubergang. Sie umfasst eine N
18 9 Schicht 86 mit einer Verunreinigungs-Konzentration von 5x10 /cm und einer Dicke von etwa 300 Mikron; ferner eine Meta 11-Elektrode 87 in Kontakt mit einer Oberfläche der N + Schicht 86; ferner eine P " (oder N ") Schicht 88, die auf der anderen Oberfläche der N Schicht 86 aufgebaut ist und eine Verunreinigungs-Konzentration von 5x10 /cm und eine Dicke von etwa 15 Mikron hat; ferner eine Mosaik-Schicht 91, die auf die P Schicht 88 aufgebaut ist, und zwar unter Verwendung einer grösseren Anzahl von P Bereichen 89 und P Bereichen 90. Diese sind Seite an Seite angeordnet und berühren einander. Die P Bereiche haben
19 3 eine Verunreinigungs-Konzentration von 1x10 /cm und eine Dicke von etwa
- 17 3
1 Mikron und die P Bereiche 90 haben eine Konzentration von 1x10 /cm
und eine Dicke von 0,8 Mikron; ferner eine P + Schicht 92 aus Polycristalline Silizium als eine Elektrode, die über der Mosaik-Schicht 91 liegt und mit einer
20 3 Verunreinigungs-Konzentration von 3x10 /cm dotiert ist.
In diesem Falle hat die P .Schicht aus Polycrystalline Silizium die Rolle, Elektronen zu absorbieren, und zwar durch Rekombinatione-Vorgänge, die aus der P (oder N )
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Schicht 88 in den P Bereich 90 gekommen sind. Aus diesem Grund muss die P Schicht 92 eine Polycrystalline Siliziumschicht und keine einkristall ige Siliziumschicht sein. Dies deshalb, weil letztere die oben beschriebene Wirkung nicht haben kann. Die P Schicht 92 aus Polycristallin Silizium kann durch eine Metallschicht ersetzt werden.
Aus dem Aufbau der Fig. 15 geht hervor, dass die Vorrichtung die gleiche Wirkung und die gleichen Vorteile hat, die mit den anderen Ausführungsbeispielen erreicht wurden. Es kann darüberhinaus auch wahlweise eine Meta 11-Elektrode auf der P Schicht 92 niedergeschlagen werden, falls dies notwendig ist.
Die Erfindung ist zahlreicher Variationen'fähig. Z.B. können die P-Schichten oder Bereiche und die N-Schichten und Bereiche, so wie sie in den Ausführungsbeispielen gewählt wurden, auch vollständig gegeneinander ausgetauscht werden. In diesem Falle werden natürlich aus den Majoritätsträgern statt der Löcher nunmehr Elektronen und umgekehrt und die Minoritätsträger werden nunmehr statt Elektronen zu Löchern und umgekehrt. Als weitere Abwandlung der Erfindung kann man auch stark dotierte Halbleiter-Schichten, wie z.B. stark dotiertes Polycrystallin Silizium für die Halbleiterschicht nach Fig. 3 verwenden.
Bei der obigen Erläuterung der Erfindung wurde diese anhand von Dioden und Tyristoren erklärt. Offensichtlich kann die Erfindung jedoch auch auf andere Halbleiter-Vorrichtungen wie ζ. Β β bipolare Transistoren, Feldeffekt-Transistoren usw. angewendet werden.
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Leerseite

Claims (9)

  1. PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN Sindelfingen -auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 Telefon 07031/86501
    Telex 7265509 rose d
    12 037
    29. Februar 1980
    Patentansprüche:
    (J/'. Elektroden-Vorrichtung für Halbleiter-Vorrichtungen mit einer Halbleiterschicht und mit einer auf einer Oberfläche dieser Halbleiterschicht angeordneten leitenden Schicht, gekennzeichnet durch erste Bereiche, die zwischen diesen Schichten angeordnet sind und als Hauptdurchlässe zur Übertragung von Minoritätsträgern aus der Halbleiterschicht zur leitenden Schicht dienen und durch zweite Bereiche, die zwischen den Schichten liegen und als Hauptdurchgangsstellen für den Übertritt von Majoritätsträgern zwischen der Halbleiterschicht und der leitenden Schicht dienen, wobei die ersten und zweiten Bereiche seletiv auf der Halbleiterschicht gebildet sind, angrenzend aneinander liegen und parallel im Hinblick auf die Strompfade liegen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bereiche vom Sperr-Leitungstyp sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-
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    schicht· vom ersten Leitungstyp ist, dass die zweiten Bereiche ebenfalls vom ersten Leitfähigkeits-Typ sind und eine höhere Verunreinigungs-Konzentration als die Halbleiterschicht haben und dass die ersten Bereiche vom zweiten Leitungstyp, der sich vom ersten unterscheidet und eine höhere Verunreinigungs-Konzentration als die Halbleiterschicht hat.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsschicht aus Metall ist und dass die ersten Bereichen aus Schottky-Sperrbereichen bestehen, die durch die Kombination des Metalls und der Halbleiterschicht geschaffen werden.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsschicht aus einer Halbleiterschicht gebildet ist, die Verunreinigungen in hoher Konzentration enthält.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsschicht aus polycrystallinem Silizium mit einer hohen Verunreinigungs-Konzentration besteht.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bereiche vom gleichen Leitungstyp sind, dass die Verunreinigungs-Konzentration der ersten Bereiche niederer als bei den zweiten Bereichen ist und dass die Leitungsschicht aus polycrystallinem Silizium gebildet ist, die vom
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    gleichen Leitfähigkeits-Typ wie die ersten und zweiten Bereiche ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht von einer darüberliegenden Metallschicht abgedeckt ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bereiche vom gleichen Leitungstyp sind, wobei die Verunreinigungs-Konzentration der ersten Bereiche niederer ist als diejenige der zweiten Bereiche und dass die Leitungsschicht aus Metall gebildet ist.
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