DE3632489A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, insbesondere eine Leistungshalbleiteranordnung wie einen Thyristor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Insbesondere dreht es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Halbleiteranordnung bei der die negative Anschrägungs­ struktur eines Mesa-Abschnittes verbessert ist.

Fig. 3 (a) zeigt einen Teilquerschnitt des Mesa-Abschnittes einer Halbleiteranordnung, z. B. eines herkömmlichen Thyristors. Dieser Thyristor hat eine p _E -Schicht (Anode/Kathodenschicht) 1, eine n _B -Schicht (Anoden/Basisschicht) 2, eine p _B -Schicht (Kathoden/Basisschicht) 3, eine n _E Schicht (Kathode/Emitter­ schicht) 4, eine Anodenelektrode 5 auf der p _E Schicht 1 und eine Kathodenelektrode 6 auf der n _E Schicht 4.

Eine positive Anschrägungsebene 7 ist vorgesehen, die dazu dient, das elektrische Feld an der Oberfläche des Mesabschnittes abzuschwächen, das sich bei Anlegen einer Rückwärtsspannung ausbildet. Eine Ebene 8 mit negativer Anschrägung ist vorgesehen, die dazu dient, das elektrische Oberflächenfeld abzuschwächen, das sich ausbildet, wenn eine Vorwärtsspannung aufgebracht wird. Weiterhin sind erste bis dritte p-n Übergänge 9, 10 und 11 vorgesehen. Die Vorwärts-Sperrspannungsfestigkeit und die Rückwärts- Sperrspannungsfestigkeit basieren auf den Durchbruchs­ spannungen, die durch die elektrischen Feldintensitäten auf den Oberflächenabschnitten des zweiten p-n Überganges 10 bei der n _B Schicht 2 und p _B Schicht 3 und beim ersten p-n Übergang 9 definiert sind, der bei der p _E Schicht 1 und der n _B Schicht 2 liegt. Unter dem Einfluß von Ober­ flächenbedingungen passiert es nun oftmals, daß lokale Feldkonzentrationen an dem Oberflächenabschnitt auftreten, bei dem der p-n Übergang offenliegt, so daß sich die Durchbruchsspannung des p-n Überganges erniedrigt. Um diesen Nachteil zu vermeiden bringt man die Mesa-Ober­ fläche in eine geometrische Anordnung, wie sie in Fig. 3 (a) gezeigt ist. Die positive Anschrägung 7 in Fig. 3 (a) zeigt den Fall, bei dem die Querschnittsfläche von der Seite mit der niedrigen Störstellenkonzentration, d.h. die n _B Schicht 2, zur Seite mit der hohen Störstellen­ konzentration, d. h. zur p _E Schicht 1, ansteigt, während die negative Anschrägung 8 den Fall zeigt, bei dem die Querschnittsfläche von der Schicht mit hoher Störstellen­ konzentration, d. h. der p _B Schicht 3, zur Schicht mit der niedrigen Störstellenkonzentration, d. h. der n _B Schicht 2, ansteigt. Die Zusammenhänge zwischen dem positiven Anschrägungswinkel R+ und dem negativen Anschrägungswinkel R- der jeweiligen Anschrägungen mit der elektrischen Feld­ stärke auf der Oberfläche ist in seiner Ausprägung in Fig. 4 gezeigt. Beim positiven Anschrägungswinkel 7 sinkt die elektrische Feldstärke, wenn der Anschrägungswinkel R+ sinkt. Bei der negativen Anschrägung 8 steigt andererseits die elektrische Feldstärke bis zu einem bestimmten Anschrägungswinkel an und wird dann mit sinkendem An­ schrägungswinkel R- kleiner. Um demzufolge die Durchbruchs­ spannung am p-n Übergang 10 niedrig zu halten, muß folglich die negative Anschrägung 8 einen hinreichend geringen Winkel mit der positiven Anschrägung 7 aufweisen.

Bei einer derartigen herkömmlichen Halbleiteranordnung, wie sie oben beschrieben ist, wir ein Thyristor mit hoher Durchbruchsspannung, der eine Vorwärts-Sperrspannung von etwa 3000 bis 6000 Volt aufweist und ein wie beschrieben ausgebildete negative Anschrägungsstruktur aufweist, mit einem negativen Anschrägungswinkel R- versehen, der 1 bis 2° beträgt. Nachdem die Diffusionstiefe der p _B Schicht 3 hier 80 bis 100 µm beträgt (herkömmlicher Thyristor mit hoher Durchbruchsspannung), wird die Anschrägungsweite L, wie sie in Fig. 3 (a) definiert ist, etwa 5 mm bei einem negativen Anschrägungswinkel R- von 1° betragen. Die Herstellung der Anschrägung bzw. des Winkels wird mittels üblicher Verfahren wie Bearbeitung mit einer Dicingmaschine, durch Läppen oder Sandstrahlen der Kantenabschnitte bewerk­ stelligt. In diesem Fall sinkt die effektive Fläche der Kathodenelektrode 6, so daß ein Abfall des mittleren Durchlaßstromes und ein Ansteigen der "An"-Spannung sowie ein Ansteigen des thermischen Widerstandes die Folge sind. Dies wiederum stellt ein ernsthaftes Hindernis für einen hohen Strom der Anordnung dar. Es wurde auch schon vorge­ schlagen, diesen Nachteil durch eine Struktur zu vermeiden, bei der positive Anschrägungen 7 für beide (Vorwärts und Rückwärt) Richtungen gegeben sind, wie dies in Fig. 3 (b) gezeigt ist. Diese Struktur aber bringt das Problem mit sich, daß die Kantenabschnitte 12 und 13 der Abschrägungen zum Splittern und Brechen bei der Herstellung neigen. Darüber hinaus ist die Effektivität bei der Massenher­ stellung gering und kann nicht gesteigert werden, da die Anordnung sehr schwer zu handhaben ist.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine hohe Durchbruchsspannung bei hoher Lastkapazität erreicht wird, so daß der mittlere "An"-Strom gesteigert und die "An"-Spannung sowie der thermische Widerstand gesenkt werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die negative Anschrägung mit einem kleinen Winkel im Mesa-Abschnitt nur in dem Teil vorgesehen wird, in welchem die Sperr­ schicht auf der oberen Seite des zweiten p-n Überganges erscheint.

Dadurch wird die Fläche der Kathodenelektrode auch bei kleinem Winkel (und damit niedriger Feldstärke) groß und die Herstellung bzw. Bearbeitung der Anschrägungsfläche erleichtert.

Vorzugsweise beträgt der Anschrägungswinkel R nicht mehr als 1°.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, die anhand von Abbildungen näher beschrieben sind. Hierbei zeigt

Fig. 1 (a) und (b) Teil-Längsschnitte einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 das Diagramm der elektrischen Feld­ stärkeverteilung von Anschrägungs­ abschnitten, die sich dann ausbilden, wenn eine Vorwärtsspannung an die Anordnung nach den Fig. 1 (a) und (b) angelegt wird;

Fig. 3 (a) und (b) Teil-Längsschnitte herkömmlicher Halbleiteranordnungen und

Fig. 4 ein Diagramm der Abhängigkeit der Feldstärkeverteilung vom Anschrägungs­ winkel.

Fig. 1 (a) zeigt einen Teil-Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 1 (b) zeigt eine vergrößterte Darstellung der Verteilung einer Sperrschicht, die sich auf beiden Seiten des zweiten p-n Überganges ausbildet. Bei diesen Abbildungen sind dieselben Bezugsziffern verwendet wie in den Fig. 3 (a) und (b) zur Bezeichnung identischer Teile. Wie in Fig. 1 (b) gezeigt, sind die jeweiligen Breiten der Verarmungs­ zonen in einer Sperrschicht, die bei Anlegen einer Vor­ wärtsspannung erscheint, umgekehrt proportional zu den Störstellenkonzentrationen auf beiden Seiten des zweiten p-n Überganges 10. Demzufolge breitet sich die Verarmungs­ zone größtenteils in der n _B Schicht 2 bzw. auf der Seite niedriger Störstellenkonzentration aus und verteilt sich nur geringfügig in der p _B Schicht 3 bzw. auf der Seite hoher Störstellenkonzentration. Nachdem das Verhältnis der Störstellenkonzentrationen der p _B Schicht 3 und der n _B Schicht 2 im allgemeinen zu mehreren Hundert gewählt wird, wird die Breite der Verarmungszone in der p _B Schicht 3 und der n _B Schicht 2 beim Anlegen einer Spannung von 5000 Volt zu etwa 5 µm bzw. 500 µm. In der Nähe der Oberfläche des Mesa-Abschnittes sind die Breiten der Verarmungszone ungleich, auch wenn man das Phänomen berücksichtigt, daß sich die Verarmungszone aufgrund der Bildung des Anschrägungswinkels krümmt. Aus diesem Grund kann auch in dem Fall, in dem eine negative Anschrägung 8 mit einem sehr kleinen Winkel nur in diesem Teil gebildet wird, die elektrische Feldstärke auf denselben Betrag abgeschwächt werden, wie bei einer herkömmlichen Struktur, wobei sich dann eine Verteilung der elektrischen Feldstärke über die Anschrägungsebenen A-B-C-D aus Fig. 1 (b) ergibt, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Fall ergibt sich eine Anschrägungsbreite L ₁ für dieselben negativen An­ schrägungswinkel R- von etwa 1 mm, was lediglich ein Fünftel der Anschrägungsbreite L bei der herkömmlichen Ausführung ist. Demzufolge kann der Teil L ₂, der bisher für die Anschrägung verbraucht wurde, für die Kathoden­ elektrode 6 benützt werden. Die negative Anschrägung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls durch Schneiden, Sandstrahlen oder Atzen hergestellt werden.

Wie oben ausgeführt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein negativer Anschrägungswinkel nur in dem Teil ausgebildet, in dem sich eine Verarmungszone in der p _B Schicht 3 ausbildet. Dadurch kann man eine Anordnung mit hoher Durchbruchs­ spannung herstellen, deren Lastkapazität hoch ist und deren Kathodenelektrodenfläche aufgrund ihrer Vergrößerung eine Vergrößerung des mittleren "An"-Stromes und einer Absenkung der "An"-Spannung und des thermischen Wider­ standes ermöglicht.

Claims (2)

1. Halbleiteranordnung mit einem p-n Übergang, der zwischen einer Schicht (2) mit niedriger Störstellen­ konzentration des einen Leitfähigkeitstyps und einer Schicht (3) mit hoher Störstellenkonzentration des anderen Leitfähigkeitstyps definiert ist, die an die Schicht (2) mit niedriger Störstellenkonzentration angrenzt, und mit einer negativen Anschrägungsstruktur (6), deren Querschnittfläche von der Schicht (3) hoher Störstellenkonzentration in Richtung auf die Schicht (2) niedriger Störstellenkonzentration ansteigt, dadurch gekennzeichnet, daß im außenliegenden Abschnitt bzw. Oberflächenabschnitt des p-n Überganges (10) nur der Abschnitt, der einer Verarmungs- oder Sperrschicht entspricht, die sich auf der Seite der Schicht (3) hoher Störstellenkonzentration durch Anlegen einer Spannung ausbreitet, mit einer negativen Anschrägung (8) mit kleinem Winkel (R) versehen ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (R) nicht größer als 1° ist.