DE3024939C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten
Art.
Ein Thyristor ist eine Halbleiteranordnung mit drei
oder mehr PN-Übergängen, der sich zum Schalten aus einem
Stromsperrzustand in einen Stromleitzustand durch elektrische
oder optische Auslösemittel und umgekehrt durch
elektrische Mittel eignet.
Eines der typischen Beispiele hiervon wird anhand der
Fig. 1, 2 und 3B erläutert. Es betrifft einen PNPN-Thyristor
mit einem N-Leitungstyp-Halbleiterplättchen als
Ausgangsmaterial sowie ein herkömmliches Herstellverfahren.
Gemäß Fig. 1 hat ein Halbleitersubstrat 10 eine an
einer Hauptoberfläche 101 freiliegende P-Emitter-(P E )Schicht 1,
eine an die P-Emitterschicht 1 angrenzende N-Basis-(N B)-Schicht
2 und eine an die N-Basisschicht 2 angrenzende
P-Basis-(P B)Schicht 3 an der anderen Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats
10 zusammen mit einer
N-Emitter-(N E)Schicht 4 freiliegt. Zwischen der
P-Emitterschicht 1 und der N-Basisschicht 2, zwischen
der N-Basisschicht 2 und der P-Basisschicht 3 sowie
zwischen der P-Basisschicht 3 und der N-Emitterschicht 4
sind PN-Übergänge J₁ bzw. J₂ bzw. J₃ gebildet, wobei die
PN-Übergänge J₁ und J₂ an einer Seite 103 des Halbleitersubstrats
10 enden und der PN-Übergang J₃ an der anderen
Hauptoberfläche 102 endet. Eine Anodenelektrode 5, eine
Kathodenelektrode 6, die Hauptelektroden sind, und eine
Steuerelektrode 7 sind auf der einen Hauptoberfläche 101
bzw. an den freiliegenden Teilen der P-Basisschicht 3
der anderen Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats
10 ausgebildet. Die Anodenelektrode 5 dient auch
zum Schutz des spröden Halbleiterplättchens. Der
PN-Übergang J₃ zwischen der N-Emitterschicht 4 und der
P-Basisschicht 3 ist durch die Kathodenelektrode 6 in
einem Bereich 41 zur Bildung eines kurzgeschlossenen
Emitteraufbaus teilweise kurzgeschlossen. Der äußerste
Umfang der Kathodenelektrode 6 ist durch die P-Basisschicht
3 zur Bildung eines kurzgeschlossenen Umfangsaufbaus
42 kurzgeschlossen. Demgemäß hat ein Endbereich 300
des Halbleitersubstrats 10 einen PNP-Aufbau.
Der kurzgeschlossene Emitteraufbau und der kurzgeschlossene
Umfangsaufbau entsprechen einer bekannten Technik
zur Verbesserung der Sperrcharakteristik des
Thyristors. Die Sperrcharakteristik des Thyristors wird
als die Eignung definiert, eine möglichst hohe Spannung
mit einem möglichst geringen Ableitungsstrom auszuhalten,
wenn die Spannung über die Anodenelektrode 5 und die
Kathodenelektrode 6 angelegt wird, um den Übergang J₁
oder J₂ in Sperrichtung vorzuspannen (d. h. Sperrzustand).
Üblicherweise kann eine hohe Spannung innerhalb
des Hallbleiterkörpers gesperrt werden, doch ist
die Sperreignung an der Oberfläche geringer als im
Inneren, da die elektrische Feldstärke an der Oberfläche
höher als im Inneren ist und daher ein Lawinendurchbruch
bzw. -durchschlag an der Oberfläche auftritt. um
das obige Problem zu vermeiden, ist es erforderlich,
an der Oberfläche eine niedrigere elektrische Feldstärke
als im Inneren einzustellen. Die Verringerung der
elektrischen Feldstärke an der Oberfläche läßt sich durch
Ausdehnen einer Verarmungsschicht an der Oberfläche
erreichen.
Zu diesem Zweck wurde nach dem Stand der Technik die
Seitenkante 103 des Halblleitersubstrats 10 zu einem
Doppelabschrägungsaufbau oder Sigma (Σ)-Umriß geformt.
Dabei muß jedoch, da die Übergänge J₁ und J₂ an der
Seitenkante 103 freiliegen, eine Oberflächenpassivierungsschicht
200 angebracht werden, um die Verringerung der
Durchbruchsspannung aufgrund der Verunreinigung und der
Abscheidung von Verunreinigungsionen von außen zu vermeiden.
für eine Halbleiteranordnung, bei der die Seitenkante
des Halbleitersubstrats 10 zum Abschrägungsaufbau geformt
ist und die Seitenkante ein Passivierungsmaterial
trägt, wurde die folgende Technik angegeben, um die
Durchbruchsspannung an der Oberfläche des Halbleitersubstrats
höher als die Durchbruchsspannung des Körpers zu
machen. In der US-PS 34 13 527 ist offenbart, eine leitende
Schutzelektrode auf einem dielektrischen Material bei
einem Thyristor, dessen Seitenkate zu einem abgeschrägten
Aufbau geformt ist und das abgeschiedene dielektrische
Material trägt, in der Nähe eines PN-Übergangs im Halbleitersubstrat
vorzusehen. Nach dieser US-PS dient die
leitende Schutzelektrode zur Verringerung der elektrischen
Feldstärke an der Seitenkante des Halbleiterkörpers, wenn
der PN-Übergang des Halbleitersubstrats in Sperrichtung
vorgespannt wird, um die Durchbruchsspannung an der Oberfläche
höher als die Durchbruchsspannung im Körper zu
machen.
Jedoch bringt der bekannte Thyristor das folgende
Problem. Wenn bei diesem Thyristor eine hohe Sperrspannung
für eine ausgedehnte Zeitdauer angelegt wird,
wächst ein Ableitungsstrom anormal so an, daß die Sperrcharakteristik
erheblich verschlechtert wird und im
schlimmsten Fall eine thermische Instabilität unter
Zerstörung der Halbleiteranordnung auftritt.
Die US-PS 34 13 527 bezieht sich nicht auf das Problem
bei der Zuführung der Sperrspannung für die ausgedehnte
Zeitdauer und dessen Lösung.
Für dieses Problem wurde allgemein anerkannt anzunehmen,
daß es nicht auf eine Erscheinung im Halbleiterkörper,
sondern auf die Seitenkante des Halbleitersubstrats 10
im Zusammenhang mit dem Passivierungsmaterial zurückzuführen
ist. Daher wurden das Passivierungsmaterial als
solches und das chemische Verfahren für die Seitenkante
untersucht.
Jedoch wurde kein spezielles Modell für die Gründe
der Verschlechterung und eine Behebung derselben bezüglich
eines Aufbaus wie etwa der in Fig. 1 dargestellten Halbleiteranordnung
ermittelt.
Aus der DE-OS 22 29 605 ist eine Halbleiteranordnung der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art bekannt,
bei dem ein Paar von elektrisch leitenden Schichten, die auf den
Potentialen der Anode bzw. der Kathode gehalten werden, sich
teilweise an der Seitenfläche des Substrats bei zwischengefügter
Isolierschicht überlappen, so daß die Verarmungsschicht am Randteil
aufgrund der konstanten Potentiale enge gemacht wird und sich
konzentriertere elektrische Feldlinien im Passivierungsmaterial
nahe der Kante der leitenden Schicht ergeben.
Die GB-PS 11 19 297 offfenbart eine Halbleiteranordnung, die mit
einer leitenden Schicht zur äußerlichen Steuerung des elektrischen
Feldes um die freiliegende Kante des PN-Überganges in der Halbleiteroberfläche
versehen ist und dadurch die Durchbruchsspannung
des PN-Überganges steuert. Fast sämtliche elektrische Kraftlinien
enden nicht im Passivierungsmaterial, sondern an der
Halbleiteroberfläche.
Schließlich ist aus der US-PS 34 05 329 eine planare Halbleiteranordnung
bekannt, worin Ladungen an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats
durch das Anlegen eines äußeren Feldes gesteuert
werden, wodurch die Durchbruchsspannung der Anordnung verbessert
wird. Dabei sind ein negativ geladener Schirm und ein Schutzschirm
vorgesehen, die zu Erweiterung des Verarmungsbereichs nahe der
P-Schichtoberfläche bzw. zum Verhindern einer übermäßigen Verbreiterung
des Verarmungsbereichs nahe der Oberfläche im P-Bereich
dienen. Eine Verringerung der an der Halbleiteroberfläche
endenden elektrischen Kraftlinien tritt kaum auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung
der eingangs vorausgesetzten Art mit hoher Durchbruchsspannung
zu entwickeln, bei der der Ableitungsstrom
nicht wächst, auch wenn eine Sperrspannung für eine ausgedehnte
Zeitdauer angelegt wird, die damit eine hochverläßliche Sperreignung
aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende
Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Wenn bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung eine Spannung
zum Vorspannen des PN-Übergangs in Sperrichtung zwischen dem
Paar von Hauptelektroden angelegt wird, werden Ionen im
Passivierungsmaterial durch ein elektrisches Feld gesammelt,
das im Passivierungsmaterial erzeugt ist, so daß die
Verschlechterung der Durchbruchscharakteristik an der Oberfläche
des Halbleitersubstrats verhindert wird.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung verschaulichten
Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin
zeigt
Fig. 1 einen Schnitt zur Veranschaulichung des Aufbaus
eines bekannten Thyristors;
Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt eines Umfangsteils
des in Fig. 1 dargestellten Thyristors,
bei dem eine Spannung gezeigter Polarität am
Paar der Elektroden angelegt ist;
Fig. 3A einen vergrößerten Teilschnitt eines Umfangsteils
einer weiteren bekannten Halbleiteranordnung;
Fig. 3B einen vergrößerten Teilschnitt eines Umfangsteils
einer Fig. 1 entsprechenden Halbleiteranordnung;
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung
zwischen der Spannungsanlegungszeit und dem
Ableitungsstrom, wenn eine bestimmte Vorspannung
an die Halbleiteranordnungen nach den Fig. 3A und 3B
angelegt wird;
Fig. 5 und 6 Schritte eines Thyristors nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung
zwischen der angelegten Spannung und dem Ableitungsstrom
für den in Fig. 5 und 6 dargestellten
Thyristor; und
Fig. 8 bis 18 Schnitte von Thyristoren nach weiteren
Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Die Erscheinung der Verschlechterung der Sperrcharakteristik
wurde im einzelnen für einen Thyristor des in
Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Aufbaus untersucht.
Durch die Untersuchung wurde gefunden, daß die Verschlechterungserscheinung
nicht auf einem Problem innerhalb
des Halbleitersubstrats, sondern auf Verunreinigungsionen
beruht, die in dem auf die Seitenkante des Halbleitersubstrats
aufgebrachten Passivierungsmaterial verteilt sind.
Eine Spur von unentfernbaren Verunreinigungsionen, wie
z. B. Wasser, Natriumionen und durch Dissoziation durch
ein elektrisches Feld erzeugten Ionen, verteilt sich im
Passivierungsmaterial. Wenn eine Sperrspannung angelegt
wird, wirkt ein elektrisches Feld auf das Passivierungsmaterial,
und die Verunreinigungsionen beginnen, sich
längs des elektrischen Feldes zu bewegen. Aufgrund dieser
Bewegung sammelt sich eine große Menge von Verunreinigungsionen
in einem Bereich, an dem das elektrische Feld oder
eine elektrische Kraftlinie endet.
Es wird nun eine bestimmte, bei einem tatsächlichen
Thyristor beobachtete Erscheinung betrachtet.
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt eines Umfangsteils
zur Erläuterung der obigen Erscheinung im einzelnen.
Die den in Fig. 1 gezeigten identischen Teile sind mit
gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Beim dargestellten
Thyristor wird eine Spannung an den Hauptelektroden im
Vorwärtssperrzustand angelegt, d. h. daß die Anodenelektrode 5
positiv und die Kathodenelektrode 6 negativ ist.
Im Passivierungsmaterial gezeigte Strichellinien sind
elektrische Kraftlinien 30, längs deren sich die Verunreinigungsionen
bewegen. Die elektrischen Kraftlinien
werden hier weiter erläutert.
Die meisten der elektrischen Kraftlinien
enden an der Seitenkante, an der die P-Basisschicht 3 freiliegt,
und an einer Halbleiterschicht auf deren Oberfläche. Als
Ergebnis sammelt sich eine große Menge von positive Ladungen
tragenden Verunreinigungsionen an der Oberfläche.
Es war bekannt, daß, wenn sich die positiven Ladungen an
der Oberfläche der P-Halbleiterschicht sammeln, die
Löcherkonzentration an dieser Oberfläche sinkt und die
Verarmung und sogar die Inversion zum N-Typ auftreten.
Wenn die an den Thyristor angelegte Sperrspannung für
eine lange Zeitdauer einwirkt, wächst die Menge der an der
P-Basisschicht 3 angesammelten positiven Ladungen allmählich,
und die Verarmung oder die Inversion der P-Basisschicht 3
zum N-Typ schreitet fort, die möglicherweise die Kathodenelektrode
6 erreicht, die die zweite Hauptelektrode
auf der N-Emitterschicht 4 ist. Als Ergebnis fließt ein
äußerst starker Ableitungsstrom durch diesen Bereich.
In der N-Basisschicht 2 und der P-Basisschicht 3 dargestellte
Strichpunktlinien zeigen Verarmungszonen. Wie
dargestellt, ist die Verarmung zur Oberfläche der P-Basisschicht
3 vorgerückt, und die Verarmungszone hat die
Kathodenelektrode 6 erreicht.
Es wurde
erkannt, daß die bei dem bekannten Thyristor
angetroffene Verschlechterung der Sperrcharakteristik auf
eine Erscheinung zurückzuführen ist, bei der sich die
Verunreinigungsionen im Passivierungsmaterial durch das
elektrische Feld bewegen und an der Oberfläche der
P-Basisschicht 3 ansammeln, was zur Verarmung oder Inversion
zum N-Typ an der Oberfläche führt.
Die Verringerung der Menge der an der Oberfläche der P-Basisschicht
3 angesammelten Verunreinigungsionen ist also wesentlich,
um das Problem der Verschlechterung zu lösen. Dies
könnte durch Verbesserung des bisher verwendeten Passivierungsmaterials
oder durch Verwendung eines neuen
Passivierungsmaterials zur Verringerung der Menge der Verunreinigungsionen
erreicht werden.
Beim bekannten Thyristor
werden die meisten Verunreinigungsionen in die P-Basisschicht
3 gelenkt und dort angesammelt, weil die meisten
elektrischen Kraftlinien im Passivierungsmaterial an der
P-Basisschicht 3 enden. Es wird daher, wie ebenfalls bekannt, eine Hilfselektrode aus einem
leitenden Teil vorgesehen,
die nach außerhalb der Kante der P-Basisschicht 3 vorragt. Die an der Oberfläche der P-Basisschicht 3
angesammelten Verunreinigungsionen werden von der Hilfselektrode
erfaßt. Als Ergebnis wird die Menge der an der
Oberfläche der P-Basisschicht 3 angesammelten Ladungen
wesentlich verringert, und die Änderung des Ableitungsstroms
wird wesentlich reduziert.
Es wurden hierzu folgende
Versuche durchgeführt.
Fig. 3A und 3B zeigen Umrisse von Versuchsproben, und
Fig. 4 zeigt Versuchsergebnisse.
Die Hauptelektroden 5 und 6 sind auf einem Paar von
entgegengesetzten Oberflächen des PNP-Aufbau-Halbleitersubstrats
10 angeordnet. Nach Fig. 3A besteht die Hauptelektrode
6 aus einer Wolframplatte und springt um
1,5 mm über die angrenzende P-Halbleiterschicht vor. Gemäß
Fig. 3B sind beide Hauptelekroden 5 und 6 durch Aufdampfen
von Aluminium gebildet. Die Hauptelektrode 6 bleibt
im Gegensatz zu der Ausbildung in Fig. 3A um 1,5 mm gegenüber
der Länge der angrenzenden P-Halbleiterschicht zurück.
Fig. 4 zeigt Änderungen des Ableitungsstroms in
Abhängigkeit von der Zeit, wenn eine Gleichspannung von
3000 V mit der in Fig. 3A und 3B gezeigten Polarität angelegt
wird. Die Kurve A zeigt die Messung für Fig. 3A,
und die Kurve B zeigt die Messung für Fig. 3B. Man sieht,
daß die Kurve A einen erheblich geringeren Anstieg des
Ableitungsstroms als die Kurve B zeigt.
Es folgt aus der Diskussion der obigen Versuchsergebnisse,
daß in der Probe nach Fig. 3A die Wolfram-Hauptelektrode 6
als die Verunreinigungsionen sammelnde Hilfselektrode
wirkt, während die Hauptelektrode nach Fig. 3B
keine solche Funktion hat.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ein N-Siliziumeinkristallmaterial mit einem Widerstand
von 200-300 Ω · cm und einer Dicke von angenähert
1 mm wird als Ausgangsmaterial verwendet, in das ein
P-Dotierstoff, wie z. B. Gallium oder Aluminium, nach einer
bekannten Diffusionstechnik zur Bildung einer P-Diffusionsschicht
eindiffundiert wird. Die Oberfläche einer der
Diffusionsschichten wird in Tiefenrichtung gleichmäßig
durch einen chemischen Ätzprozeß um 40-50 µm zum
Zurichten der Dicke geätzt. Die auf eine verringerte
Dicke geätzte P-Schicht dient als die P-Basisschicht 3,
während die an die entgegengesetzte Hauptoberfläche 101
angrenzende dicke P-Schicht als die P-Emitterschicht 1
dient. Die N-Schicht dazwischen dient als die N-Basisschicht
2. Dann wird die an die P-Basisschicht 3 angrenzende
N-Emitterschicht 4 durch einen Phosphordiffusionsprozeß
unter Verwendung von POCl₃ als Diffusionsquelle
und einen chemischen Ätzprozeß gebildet. Die
P-Basisschicht 3 liegt an der Oberfläche 102 in Teilflächen
der N-Emitterschicht 4 frei. Angrenzend an die gegenüberliegenden
Hauptoberflächen 101 und 102 werden die Anodenelektrode
5 auf der P-Emitterschicht 1, die Kathodenelektrode
6 auf der N-Emitterschicht 4 und die Steuerelektrode
7 auf einem an der Hauptoberfläche 102
freiliegenden
Teil der P-Basisschicht 3 gebildet. Die Kathodenelektrode
6 ist vom kurzgeschlossenen Emitteraufbau,
bei dem die P-Basisschicht 3 und die N-Emitterschicht 4
teilweise durch Zonen 41 kurzgeschlossen sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Kathodenelektrode
6 und die Steuerelektrode 7 durch Aufdampfen
eines Metalls, wie z. B. Aluminium, gebildet, während die über die Kanten der Hauptoberfläche 101 vorragenden
Anodenelektrode 5 aus einer Metallplatte, wie z. B.
Wolfram oder Molybdän mit einem dem des Halbleitermaterials
nahen Wärmeausdehnungskoeffizienten, besteht und
unter Verwendung von Aluminium als Lötmaterial fest
angebracht ist. Die Seitenkante 103, an der die PN-Übergänge
J₁ und J₂ freiliegen, ist aus einer Sigma-(Σ)Kontur
geformt, so daß die Übergänge J₁ und J₂ beide positive
Abschrägungen haben. Die P-Basisschicht 3 liegt an der
Oberfläche in einem Umffangsbereich 300 des Halbleitersubstrats
10 zur Bildung eines PNP-Aufbaus frei. Nahe der
Oberfläche, an der die P-Basisschicht 3 freiliegt, ist
die Hilfselektrode 8 angeordnet. Die
Hilfselektrode 8 besteht aus einem ringförmigen Metallteil,
der einen ausreichend großen Durchmesser aufweist, um
über die P-Basisschicht 3 vorzusagen und den gesamten
Umfang zu bedecken. Die Anforderung an das Material ist,
daß es mit einem Passivierungsmaterial 200, das noch beschrieben
wird, chemisch nicht reagiert und von diesem nicht
erodiert wird. Beispielsweise wurde ein befriedigendes
Ergebnis erhalten, als Wolfram bei diesem Ausführungsbeispiel
verwendet wurde. Die Hilfselektrode 8 ragt über
die Umfangskante der Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats
um 1,0 mm oder mehr vor.
Die Hilfselektrode 8 ist ohmisch derart kontaktiert, daß
deren Potential im wesentlichen gleich dem Potential der
Kathodenelektrode 6 ist.
Hierzu ist sogar ein einfacher
Aufbau, bei dem die Hilfselektrode 8 die Kathodenelektrode 6
nur berührt, ausreichend, um den gewünschten Effekt
zu erzielen.
Das Passivierungsmaterial 200 wird zum Bedecken des
Umfanges der Seitenkante zwecks Schutzes deren Oberfläche
aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Hilfselektrode
8 fast im Passivierungsmaterial eingebettet,
doch genügt es, wenn wenigstens ein Teil davon eingebettet
ist. Das verwendete Passivierungsmaterial 200 ist
ein organisches Silikonkautschukmaterial, das bei Lesitungsthyristoren
in der Praxis verwendet wurde.
Fig. 6 veranschaulicht die Funktion der Hilfselektrode 8
und zeigt den Endteil des Halbleitersubstrats 10 nach
Fig. 5 in vergrößertem Maßstab zum besseren Verständis.
Gestrichelte Linien 30 im Passivierungsmaterial 200 zeigen
elektrische Kraftlinien.
Wenn eine Spannung mit der dargestellten Polarität angelegt
wird, konzentrieren sich die sich im Passivierungsmaterial
erstreckenden elektrischen Kraftlinien zur
Oberfläche der P-Basisschicht 3 bei der in Fig. 2 dargestellten
bekannten Halbleiteranordnung und enden dort, während
sich beim beschriebenen Thyristor eine geringere
Zahl von elektrischen Kraftlinien an der P-Basisschicht 3
konzentriert und einige elektrische Kraftlinien an der
Hilfselektrode 8 enden. Unter diesen Bedingungen empfangen
die meisten der im Passivierungsmaterial 200 verteilten
Verunreinigungsionen eine zur Hilfselektrode 8 gerichtete
Kraft und sammeln sich an der Hilfselektrode 8, wie durch
das Symbol ⊕ angedeutet ist. Strichpunktlinien in der
Figur zeigen Verarmungsschichten an beiden Seiten des
Pn-Überganges J₂.
Da die Zahl der elektrischen Kraftlinien die elektrische
Feldstärke darstellt, verringert sich die Zahl der an der
P-Basisschicht 3 konzentrierten elektrischen Kraftlinien
aufgrund der Anbringung der Hilfselektrode 8 derart, daß
die elektrische Oberflächenfeldstärke an der Grenzfläche
zwischen dem Passivierungsmaterial 200 und dem Halbleitersubstrat
10, d. h. an der Seitenkante 103 schwächer wird.
Dies ist ein vorteilhafter sekundärer Effekt.
Fig. 7 zeigt die Wirkung dieses Ausführungsbeispiels
auf die Stabilisierung der Sperrcharakteristik.
In Fig. 7 zeigt eine Kurve die Beziehung zwischen dem
anfänglichen Abletungsstrom und der angelegten Spannung. Danach wurde eine Gleichspannung
von 1500 V ständig für 500 h angelegt, um den
Vorspannungstest durchzuführen, und danach wurde die Beziehung
zwischen dem Ableitungsstrom und der Spannung
erneut bestimmt. Der in Fig. 1 dargestellte bekannte
Thyristor zeigte die durch die Kurve dargestellte
Beziehung,
während der in Fig. 5 dargestellt Thyristor
die durch die Kurve dargestellte
Beziehung zeigte.
Es wurde mit dem obigen Versuch nachgewiesen, daß der
Thyristor mit der Hilfselektrode einen
geringen Ableitungsstrom und eine sehr stabile Charakteristik
ohne merklichen Anstieg des Ableitungsstroms aufweist.
Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel
verwendet die Endform der Sigmakontur, während der
Thyristor dieses Ausführungsbeispiels einen Doppelabschrägungsaufbau
hat. In Fig. 8 sind gleiche oder identische
Elemente wie die in Fig. 5 mit den gleichen Bezugsziffern
bezeichnet.
Beim Doppelabschrägungsaufbau neigt die Verarmungsschicht
in der P-Basisschicht 3 mehr zur Ausdehnung als
bei der Sigmakontur, und daher kann der Durchgriff der Verarmungsschicht
zur Kathodenelektrode 6 in der P-Basisschicht
3 leichter auftreten. Demgemäß ist die Anbringung
der Hilfselektrode 8 bei diesem Aufbau zur Verhinderung des
Durchgriffs sehr wirkungsvoll.
Die in Fig. 9 bis 18 zeigen weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung. In diesen Figuren bedeuten die gleichen
Bezugsziffern wie die in Fig. 5 gleiche oder äquivalente
Elemente.
In Fig. 9 ist das Halbleitersubstrat 10 dem in Fig. 5
dargestellten gleich und nach dem gleichen Verfahren hergestellt,
weshalb es nicht im einzelnen nochmals erläutert
wird. Fig. 9 zeigt nur einen Umfangsteil in vergrößertem
Maßstab. In Fig. 9 liegt die P-Emitterschicht 1 an der
Oberfläche an einem Endbereich auf der Hauptoberfläche 101
des Halbleitersubstrats 10 frei, und die P-Basisschicht 3
liegt an der Oberfläche in einem Endbereich auf der Hauptoberfläche
102 des Halbleitersubstrats 10 unter Bildung
eines PNP-Aufbaus frei. Die Hilfselektrode 8 dieses Ausführungsbeispiels
ist angrenzend an den ersten Endbereich
angeordnet, und eine zweite Hilfselektrode 9 ist angrenzend
an den zweiten Endbereich angeordnet. Die Hilfselektroden 8
und 9 ragen über die Hauptoberfläche hinaus und sind von
Ringform, so daß sie den gesamten Umfang bedecken. Sie
bestehen aus Wolfram. Die Hilfselektroden 8 und 9 ragen
jeweils über den Umfang der Hauptoberfläche 101 bzw. 102
des Halbleitersubstrats um 1,0 mm oder mehr vor.
Die Hilfselektroden 8 und 9 sind chemisch kontaktiert,
so daß ihre Potentiale im wesentlichen den Potentialen der
Anodenelektrode 5 bzw. der Kathodenelektrode 6 gleich sind.
Die Anbringung des Passivierungsmaterials 200 und die
Anforderungen an das Passivierungsmaterial 200 sind denen
im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 gleich.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist die Verarmungsschicht
im Halbleitersubstrat 10, wenn eine Spannung der
dargestellten Polarität zwischen der Anodenelektrode 5 und
der Kathodenelektrode 6 angelegt wird, durch eine strichpunktierte
Linie gezeigt, und die elektrischen Kraftlinien
im Passivierungsmaterial 200 sind als gestrichelte Linien 30
dargestellt.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den folgenden Vorteil
zusätzlich zum Vorteil bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten bekannten
Thyristor wird der Metallteil, wie z. B. Wolfram- oder
Molybdänplatte, der als Anodenelektrode 5 dient, mit dem
Halbleitersubstrat 10 kontaktiert. Als Ergebnis kann während
des Kontaktierungsprozesses ein Verbiegen auftreten, wenn
die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien
voneinander abweichen. Wegen dieser Verbiegung ist es
schwierig, einen thermischen und elektrischen Kontakt herzustellen.
Dies führt zu einer unerwünschten Wirkung des
Anstieges des Wärmewiderstandes und des Anstiegs eines
Durchlaßspannungsabfalls. Bei dem in Fig. 9 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Anodenelektrode 5 nicht
der kontaktierte Metallteil, wie z. B. eine Wolframplatte,
sondern sie ist durch Aufdampfen von Aluminium auf die
Hauptoberfläche 101 des Halbleitersubstrats 10 wie auch
die Kathodenelektrode 6 gebildet. Demgemäß tritt kein
Problem der Verbiegung aufgrund des Unterschiedes der Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, und der thermische und elektrische
Kontakt erfolgt leicht auf der gleitfähigen Oberfläche.
Fig. 10 zeigt eine Abänderung dieses Ausführungsbeispiels.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 hat den Sigmakonturaufbau,
bei dem die beiden Übergänge J₁ und J₂ positive
Abschrägungen aufweisen, während das Ausführungsbeispiel nach
Fig. 10 einen Thyristor von konvexer Kontur betrifft, bei
der beide PN-Übergänge negative Abschrägungen haben.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 11 unterscheidet sich
vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 nur in der Form der
Hilfselektrode 8. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 11
besteht die Hilfselektrode 8 aus einem ringförmigen Emtallteil,
der über die P-Basisschicht 3 hinausragt und einen
genügend großen Durchmesser aufweist, um den gesamten
Umfang zu bedecken. Die Anforderungen hierfür sind denen
für das vorige Ausführungsbeispiel gleich. In diesem Ausführungsbeispiel
wird Wolfram verwendet. Das äußere Ende 8 a
der Hilfselektrode 8 ist nahe der Anodenelektrode 5 angeordnet
und im Passivierungsmaterial 200 eingebettet. Die
Hilfselektrode 8 ragt von der Umfangskante der Hauptoberfläche
102 des Halbleitersubstrats 10 um 1,0 mm oder mehr
vor und erstreckt sich um 0,5 mm oder weniger von der
Hauptoberfläche 102 in Richtung zur Anodenelektrode 5.
Die Hilfselektrode 8 ist ohmisch kontaktiert, so daß
ihr Potential nahezu dem Potential der Kathodenelektrode 6
gleich ist.
Wie Fig. 9, zeigt Fig. 11 die Verarmungsschicht und die
elektrischen Kraftlinien 30. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ragt die Außenkante der Hilfselektrode 8 nicht nur über
die Hauptoberfläche 102 vor, sondern erstreckt sich auch
auf die Anodenelektrode 5 zu, wie mit dem Bezugszeichen 8 a
gezeigt ist. Außerdem ist sie im Passivierungsmaterial 200
eingebettet. Es ist offenbar, daß der Sammeleffekt der
Verunreinigungsionen zur Hilfselektrode hin in diesem Fall
größer ist, als wenn die Hilfselektrode 8 nur vorragt.
Fig. 12 zeigt eine Abänderung dieses Ausführungsbeispiels.
Das abgeänderte Ausführungsbeispiel richtet sich
auf den Thyristor mit Doppelabschrägungsaufbau.
Im Fall des Doppelabschrägungsaufbaus dehnt sich die
Verarmungsschicht in der P-Basisschicht 3 leichter als
bei der Sigmakontur aus, und daher tritt der Durchgriff der
Verarmungsschicht zur Kathodenelektrode 6 in der P-Basisschicht
3 leichter auf. Bei diesem Aufbau ist die Anbringung
der Hilfselektrode 8 sehr wirksam.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 unterscheidet sich
vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 nur in der Form der
Hilfselektroden 8 und 9. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 13
bestehen die Hilfselektroden 8 und 9 aus Metallteilen, deren
jeder einen genügend großen Durchmesser aufweist, um über
die zugehörige Hauptoberfläche vorzuspringen und den gesamten
Umfang zu bedecken. Die äußere Kante 8 a der Hilfselektrode
8 erstreckt sich in Richtung zur oberen Hauptoberfläche
102, und die äußere Kante 9 a der Hilfselektrode 9
erstreckt sich in Richtung zur unteren Hauptoberfläche 101.
Als Ergebnis sind beide äußeren Kanten 8 a und 9 a nahe zueinander
angeordnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die äußeren Kanten
der Hilfselektroden von zylindrischer Form, die gegenüberstehenden
Zylinderkanten 8 a und 9 a weisen einen gegenseitigen
Abstand von 0,3 mm auf, und die Hilfselektroden 8
und 9 befinden sich in einem Abstand von 0,4 mm oder mehr,
um den Isolationsdurchschlag dazwischen zu veremiden. Die
Hilfselektroden 8 und 9 ragen jeweils über die Hauptoberfläche
101 bzw. 102 des Halbleitersubstrats um 1,0 mm
oder mehr vor.
Die Hilfselektroden 8 und 9 sind ohmisch kontaktiert,
so daß die Potentiale der Hilfselektroden 8 und 9 im wesentlichen
gleich den Potentialen der Anodenelektrode 5 bzw.
der Kathodenelektrode 6 sind.
Dieses Ausführungsbeispiel liefert den folgenden Vorteil
zusätzlich zu den beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9
erzielten Vorteilen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ragen
die äußeren Kanten 8 a und 9 a der Hilfsselektroden 8 und 9
nicht nur über die Hauptoberflächen vor, sondern sie erstrecken
sich aufeinander zu. Demgemäß ist es offensichtlich,
daß der Sammeleffekt der Verunreinigungsionen zur
Hilfselektrode 9 hin bei diesem Ausführungsbeispiel stärker
ist, als wenn sie nur vorragen. Außerdem ist, da die
Kanten 8 a und 9 a unter den gleichen Bedingungen aufgebaut
sind, die Charakteristik symmetrisch, auch wenn die
Polarität der zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode
angelegten Spannung umgekehrt wird.
Fig. 14 zeigt eine Abänderung dieses Ausführungsbeispiels.
Das in Fig. 13 dargestellte Ausführungsbeispiel hat die
Sigmakontur, bei der beide Übergänge J₁ und J₂ positive
Abschrägungen aufweisen, während dieses Ausführungsbeispiel
den Thyristor konvexer Form zeigt, bei dem beide
PN-Übergänge negative Abschrägungen haben.
Es wird nun das in den Fig. 15 und 16 dargestellte Ausführungsbeispiel
erläutert. Das Halbleitersubstrat 10 in
diesem Ausführungsbeispiel hat eine stark P-dotierte
Schicht 40 mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als
der der P-Basisschicht 3 am Umfang der Hauptoberfläche 102
der P-Basisschicht 3. Die restlichen Teile sind die
gleichen wie beim Halbleitersubstrat im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5. Die Anordnung der Anoden-, Kathoden- und
Steuerelektroden und des Passivierungsmaterials sind ebenfalls
die gleichen wie bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
und werden daher nicht nochmals erläutert.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Hilfselektrode 8
unter Verwendung von Aluminium als Lötmaterial wie die
Anodenelektrode 5 fest angebracht. Sie kann durch Aufdampfen
von Aluminium in Ringform im Umfangsbereich 300
des Halbleitersubstrats 10 wie auch bei der Anbringung der
Anodenelektrode 5 angebracht werden. Die stark P-dotierte
Schicht 40 wird auf der Oberfläche gebildet, wo die
Hilfselektrode 8 angebracht wird. Als sie durch einen
thermischen Prozeß von 700°C und 10 min angebracht
wurde, hatte die gebildete stark dotierte Schicht eine
Tiefe von 2-3 µm.
Fig. 16 veranschaulicht die Funktion der Hilfselektrode 8
und zeigt nur den Endteil des Ausführungsbeispiels nach
Fig. 15 in vergrößertem Maßstab. In Fig. 16 sind die
elektrischen Kraftlinien, die im Passivierungsmaterial 200
auftreten, wenn eine Spannung der dargestellten Polarität
zwischen der Anodenelektrode 5 und der Kathodenelektrode 6
angelegt wird, durch gestrichelte Linien 30 dargestellt.
Dieses Ausführungsbeispiel bringt den folgenden Vorteil zusätzlich
zu den beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 erzielten
Vorteilen. Da Aluminum als das Lötmaterial zur
Anbringung der Hilfselektrode verwendet wird, bildet sich
eine eutektische Al-Si-Schicht im Verbindungsbereich der
Hilfselektrode im Halbleitersubstat, und die stark
P⁺-dotierte Schicht 40 wird zwangsläufig gebildet. Wegen
der Bildung der P⁺-Schicht 40 neigt, abgesehen vom Sammeleffekt,
die Oberfläche der P-Basisschicht viel weniger dazu,
zum N-Typ invertiert zu werden. So liefert sie eine zusätzliche
Funktion eines Kanalanhalters. Weiter verbessert
die Verbindung der Hilfselektrode 8 mit der Kathodenelektrode
die mechanische Festigkeit des Endteils. Außerdem
wird, wenn das Bauelement in einer flachen Packung abzudichten
ist, ein innerer Puffer an die Kathodenelektrode 6
gedrückt, um die elektrischen und thermischen Verformungsprobleme
zu kompensieren, und die Hilfselektrode 8 läßt
sich beim Drücken des inneren Puffers als Lageeinstell-Bezugsmarkierung
verwenden.
Das Verfahren zur Bildung der P⁺-Schicht 40 muß nicht
durch ein Legierungsverfahren des Aluminiumlötmaterials und
des Siliziumsubstrats erfolgen. Die P⁺-Schicht kann unabhängig
von der Anbringung der Hilfselektrode gebildet
werden, um den Kanalanhalteffekt zu erzielen. Beispielsweise
kann beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 Bor mit
hoher Konzentration am Umfang der Hauptoberfläche 102
zur Bildung des Kanalanhalters eindiffundiert werden.
Alternativ kann der Endteil des Halbleitersubstrats 10
zu einem Doppelabschrägungsaufbau geformt werden, wie er
in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 8 und 12 gezeigt ist.
Bei den in Fig. 17 und 18 dargestellten Ausführungsbeispielen
ist die als Kanalanhalter dienende, stark P-dotierte
Schicht 40 nicht nur in der P-Basisschicht des Halbleitersubstrats
10, sondern auch in der P-Emitterschicht ausgebildet.
Fig. 17 zeigt das Halbleitersubstrat 10 mit dem
Endteil von Sigmakontur, und Fig. 18 zeigt das Halbleitersubstrat
10 mit dem konvexen Aufbau, bei dem beide Übergänge
J₁ und J₂ negative Abschrägungen aufweisen. Die
Hilfselektroden 8 und 9 in den Ausführungsbeispielen nach
Fig. 17 und 18 ragen von den P-Schichten vor und bedecken
deren gesamten Umfänge. Das vewendete Material ist Wolfram.
Es kann jedoch jedes
als Elektrodenmaterial brauchbare Material verwendet
werden. Silizium oder Molybdän können unter Berücksichtigung
der Wärmeverziehung und der Verformbarkeit verwendet
werden. Die Hilfselektroden 8 und 9 werden mit Legierungsbindung
unter Verwendung von Aluminium als Lötmaterial
angebracht. Die Verbindung erfolgt durch Aufdampfen von
Aluminium in Ringform auf den Umfangsbereich 300 des Halbleitersubstats
10, Kontaktierung der Hilfselektroden 8
und 9 darauf und deren Erhitzung auf eine höhere Temperatur
als dem Schmelzpunkt des Aluminiums. Dabei wird die
stark P-dotierte Schicht 40 an der Verbindungsfläche der
Hilfselektroden 8 und 9 gebildet. Als sie nach dem thermischen
Prozeß bei 700°C in 10 min angebracht wurden,
hatte die dabei gebildete stark dotierte Schicht eine
Dicke von 2-3 µm.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Anodenlektrode
durch Aufdampfen von Aluminium auf die Oberfläche
der P-Emitterschicht gebildet. Demgemäß wird der unerwünschte
Effekt aufgrund der Wärmeverziehung vermieden.
Außerdem ist, da die Hilfselektroden 8 und 9 an den Endteilen
befestigt sind, die mechanische Festigkeit der
Endteile verbesesert. Wenn das Bauelement in einer flachen
Packung abzudichten ist, ist es nicht erwünscht, das Halbleitersubstrat
10 direkt auf eine Verbindungselektrode zu
drücken (die üblicherweise ein Kupferbauteil ist), die
als guter Wärmeleiter und als Kühlblech dient, da es sich der
Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleitermaterials
erheblich von dem des Kupfers unterscheidet und daher eine
Wärmeverziehung im Halbleitersubstrat auftreten kann,
was zur Verschlechterung des Bauelements führen kann. Um das
obige Problem zu vermeiden, wird gewöhnlich ein innerer
Puffer zwischen dem Halbleitersubstrat und der Verbindungselektrode
angebracht, um die elektrischen und thermischen Verformungsprobleme
zu kompensieren. Das Paar der Hilfselektroden
8 und 9 kann als Lageeinstell-Bezugsmarkierung
beim Einlegen des inneren Puffers verwendet werden.
Während die stark P-dotierte Schicht 40 dieses Ausführungsbeispiels
durch Legieren des Aluminiumlötmaterials
und des Halbleitersubstrats gebildet wird, kann
sie auch durch Eindiffundieren eines Dotierstoffs, wie
z. B. Bor, mit hoher Konzentration gebildet werden. In
diesem Fall kann die stark P-dotierte, als Kanalanhalter
dienende Schicht 40 unabhängig von Verbindungsvorgang der
Hilfselektroden 8 und 9 gebildet werden.
Die Erfindung ist zusätzlich zu dem in den Ausführungsbeispielen
gezeigten Thyristor auch auf verschiedene Arten
von Halbleiteranordnungen, wie z. B. Dioden. Transistoren, rückwärtsleitende
Thyristoren und Bilateral-Transistoren,
anwendbar.
Anstelle des beschriebenen organischen Passivierungsmaterials
kann auch anorganisches
Material, wie z. B. Glas verwendet werden.
Bei der Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist die Menge von an der Oberfläche
der Halbleiterschicht angesammelten Verunreinigungsionen
gering, und daher wächst der Ableitungsstrom nicht, auch
nachdem eine hohe Spannung von beispielsweise 3 kV bis
6 kV für eine lange Zeitdauer gesperrt wurde. Daher hat die Halbleiteranordnung nach der Erfindung
eine äußerst hohe Stabilität.
Claims (4)
1. Halbleiteranordnung mit
einem Halbleitersubstrat (10) mit einem Paar von Hauptoberflächen (101, 102), einer das Paar der Hauptoberflächen (101, 102) verbindenden Seitenfläche (103) und wenigstens einem im Halbleitersubstrat (10) zwischen dem Paar der Hauptoberflächen (101, 102) gebildeten PN-Übergang (J₁, J₂) mit einem an der Seitenfläche (103) freiliegenden Rand,
einem Paar von auf dem Paar der Hauptoberflächen (101, 102) des Halbleitersubstrats (10) gebildeten Hauptelektroden (5, 6),
einem zum Bedecken der Seitenfläche (103) des Halbleitersubstrats (10) angebrachten Passivierungsmaterial (200) und
einem Paar von leitenden Teilen (8, 9), die längs des Paares der Hauptelektroden (5, 6) angeordnet und elektrisch damit verbnden sind, im wesentlichen parallel zum Paar der Hauptoberflächen (101, 102) nach außerhalb der Kanten beider Hauptoberflächen (101, 102) des Halbleitersubstrats (10) vorragen und im vorragenden Teil im Kontakt mit dem Passivierungsmaterial (200) stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkanten der nach außerhalb der Kanten der angrenzendnen Hauptoberfläche (101, 102) des Halbleitersubstrats (10) vorragenden Abschnitte des Paars der leitenden Teile (8, 9) in bezug auf die zu den Hauptoberflächen (101, 102) des Halbleitersubstrates (10) senkrechte Richtung miteinander fluchten.
einem Halbleitersubstrat (10) mit einem Paar von Hauptoberflächen (101, 102), einer das Paar der Hauptoberflächen (101, 102) verbindenden Seitenfläche (103) und wenigstens einem im Halbleitersubstrat (10) zwischen dem Paar der Hauptoberflächen (101, 102) gebildeten PN-Übergang (J₁, J₂) mit einem an der Seitenfläche (103) freiliegenden Rand,
einem Paar von auf dem Paar der Hauptoberflächen (101, 102) des Halbleitersubstrats (10) gebildeten Hauptelektroden (5, 6),
einem zum Bedecken der Seitenfläche (103) des Halbleitersubstrats (10) angebrachten Passivierungsmaterial (200) und
einem Paar von leitenden Teilen (8, 9), die längs des Paares der Hauptelektroden (5, 6) angeordnet und elektrisch damit verbnden sind, im wesentlichen parallel zum Paar der Hauptoberflächen (101, 102) nach außerhalb der Kanten beider Hauptoberflächen (101, 102) des Halbleitersubstrats (10) vorragen und im vorragenden Teil im Kontakt mit dem Passivierungsmaterial (200) stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkanten der nach außerhalb der Kanten der angrenzendnen Hauptoberfläche (101, 102) des Halbleitersubstrats (10) vorragenden Abschnitte des Paars der leitenden Teile (8, 9) in bezug auf die zu den Hauptoberflächen (101, 102) des Halbleitersubstrates (10) senkrechte Richtung miteinander fluchten.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens einer des Paares der leitenden Teile (8, 9)
aus dem gleichen Material wie dem der daran angrenzenden Hauptelektrode
(5, 6) gebildet und mit der angrenzenden Hauptelektrode
(5, 6) einstückig ist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Endkante des einen leitenden Teils (8) einen zur Endkante
des anderen leitenden Teils (5) hin umgebogenen Randteil
(8 a) aufweist (Fig. 11, 12).
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Endkanten jedes der beiden leitenden Teile (8, 9)
je einen zu den Endkanten des anderen leitenden Teils
(9, 8) hin umgebogenen Randteil (8 a, 9 a) aufweisen (Fig. 13, 14).
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8265079A JPS567475A (en) | 1979-07-02 | 1979-07-02 | Semiconductor device |
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