DE3823348A1 - Hochleistungs-halbleiterbauelement - Google Patents

Hochleistungs-halbleiterbauelement

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DE3823348A1 DE19883823348 DE3823348A DE3823348A1 DE 3823348 A1 DE3823348 A1 DE 3823348A1 DE 19883823348 DE19883823348 DE 19883823348 DE 3823348 A DE3823348 A DE 3823348A DE 3823348 A1 DE3823348 A1 DE 3823348A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Hochleistungs- Halbleiterbauelement mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauelements.
Beim Einsatz von Halbleiterbauelementen in der Schweißtechnik und für Batterieladung treten gegenüber sogenanntem Netzbetrieb wesentlich niedrigere Sperr­ spannungen auf. Um die Verlustleistung in den Halbleiterbauelementen bei solchen Anwendungsfällen gering zu halten, ist die hochohmige, mittlere Zone, an welcher die Sperrspannung jeweils abfällt, im Vergleich mit Halbleiterkörpern für Netzbetrieb dünner ausgebildet. Der Unterschied kann bis zu 90% betragen. Die dadurch gegebene, erheblich geringere Gesamtdicke des Halbleiterkörpers solcher Halbleiterbauelemente bringt erhöhten Bruch im Verarbeiten mit sich.
Nun kann dem Scheibenbruch beim Herstellen von Halbleiterkörpern für Netzbetrieb üblicherweise dadurch begegnet werden, daß nach dem Ausbilden der Schichten­ struktur mit pn-Übergang im Halbleitermaterial und nach dem Anbringen einer Metallisierung als Kontaktelektrode auf den Hauptflächen des Halbleiterkörpers dieser an einer Hauptfläche mit einer Kontaktronde fest verbunden wird. Um die damit bedingte Erhöhung des thermischen Widerstandes für die Verlustleistung im Halbleiter­ körper bestmöglich zu begrenzen, wird eine Kontaktronde aus Molybdän oder Wolfram verwendet. Nachdem aber bereits bei den Verfahrensschritten vor dem Anbringen dieser Kontaktronde der Scheibenbruch möglichst gering sein soll und dieser bei den dünneren Halbleiterkörpern für den angegebenen Einsatz verstärkt auftritt, besteht die Notwendigkeit, die mechanische Stabilität der Halbleiterkörper mit sehr dünner Mittelzone schon im frühen Fertigungsstadium bestmöglich zu erhöhen. Hierbei ist zu beachten, daß damit auch eine optimale Verlust­ wärmeableitung gewährleistet sein muß.
Eine größere mechanische Stabilität ist über eine sogenannte Scheibendiffusion erzielbar, bei welcher eine Halbleiterscheibe üblicher Dicke durch entsprechend tiefe Diffusion dotiert und anschließend durch abtragende Bearbeitung auf die anwendungsbedingte Dicke verändert wird. Dieses bekannte Verfahren ist aufwendig, und die erreichte Festigkeit erfüllt nicht alle Forderungen bei den unterschiedlichen Fertigungsschritten.
Nun ist es bekannt, den Halbleiterkörper an einer seiner Hauptflächen mit einem Trägerkörper aus halbleitendem Material zu verbinden. In der DE-AS 18 08 666 ist ein Halbleiterelement beschrieben, bei dem ein scheiben­ förmiger, mit Kontaktelektroden versehener Halbleiter­ körper am äußeren Rand einer seiner Hauptflächen mit einem ringförmigen Trägerteil fest verbunden ist. Das Trägerteil besteht aus dem Material des Halbleiter­ körpers und umschließt einen Hauptflächenbereich des Halbleiterkörpers, der mit einem Kontaktteil elektrisch leitend verbunden ist. Mit diesem Aufbau soll eine Verwölbung des Halbleiterkörpers infolge unterschied­ licher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Halbleiter­ material und angrenzendem, daran befestigten Kontakt­ teil bei Herstellung und Betrieb des Bauelements vermieden werden. Das Kontaktteil berührt den Halbleiterkörper kraftschlüssig, ist jedoch lösbar angebracht. Es handelt sich um einen Druckkontakt- Aufbau, bei welchem durch das ringförmige Halbleiter­ trägerteil die mechanische Stabilität der Halbleiter­ tablette verbessert werden soll.
Weiter ist in der DE-PS 10 18 557 ein Verfahren zum Herstellen gleichrichtender Legierungskontakte auf einem Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium durch Aufschmelzen eines Legierungsmetalls auf den Halbleiterkörper beschrieben. Zur Vermeidung mechanischer Spannungen in Materialien unterschiedlicher Wärme­ ausdehnung soll an den Halbleiterkörper ein Legierungs­ material angeschmolzen und anschließend ein Kompensationskörper aus gleichem halbleitendem Material wie der Halbleiterkörper oder aus chemisch verwandtem Metall verwendet werden. Der Kompensationskörper wird nach dem Abkühlen wieder entfernt. Gerade durch das Entfernen des Kompensationskörpers wird das nachfolgende Anbringen von Zuleitungen an das aufgeschmolzende Legierungsmaterial möglich. Das heißt, das Anbringen eines Kompensationskörpers ist nur ein Hilfsschritt für das vorgesehene Befestigen von Zuleitungen mit Hilfe einer Legierungsmetallschicht.
Mit den bekannten Bauformen kann jedoch der Notwendigkeit optimaler mechanischer Stabilität eines Halbleiterkörpers unüblich geringer Dicke nicht Rechnung getragen werden, weil im Fall der Randabdeckung einerseits die Bruchgefahr weiter besteht und im Fall des Kompensationskörpers andererseits dieser nur vorübergehend als Hilfsvorrichtung für das Herstellen einer Kontaktelektrode vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochleistungs-Halbleiterbauelement mit sehr dünnem Halbleiterkörper zu schaffen, welcher unter Berücksichtigung bestmöglicher Verlustwärmeableitung eine zur Erhöhung seiner mechanischen Stabilität dienende Anordnung aufweist und mit derselben besonders wirtschaftlich herstellbar ist.
Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Hochleistungs- Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und bei einem Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 7 in den kennzeichnenden Merkmalen dieses Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 und 8 bis 10 angegeben.
Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung erläutert. Sie zeigt im Querschnitt die Ausbildung des Halbleiterkörpers und seine Anordnung auf einen Trägerkörper.
Der Halbleiterkörper (I) weist eine hochohmige, n­ leitende Mittelzone (1), eine an deren einer Seite angrenzende, hochdotierte, n-leitende Außenzone (2) und eine an der anderen Seite der Mittelzone, mit dieser einen pn-Übergang bildende, hochdotierte, p-leitende Außenzone (3) auf. Die letztere kann entartet dotiert sein. An der Hauptfläche der n-leitenden Außenzone (2) ist eine Kontaktelektrode (4) zur elektrischen Verbindung mit Stromleiterteilen angebracht. An der Hauptfläche der p-leitenden Außenzone (3) ist der Halbleiterkörper (I) über eine Schicht eines Legierungs­ materials (6) mit einem Trägerkörper (5) aus dem Material des Halbleiterkörpers stoffschlüssig fest verbunden. Die Dotierung des Trägerkörpers ist im ganzen Volumen vom gleichen Leitungstyp wie diejenige der angrenzenden Außenzone (3) des Halbleiterkörpers (I) und kann 1020 bis 1022cm-3 betragen. Als Legierungsmaterial ist bevorzugt Aluminium vorgesehen.
Typische Schichtdicken des Halbleiterkörpers können für die hochohmige Mittelzone (1) 20 bis 40 µm, für jede der beiden Außenzonen (2, 3) 50 bis 70 µm sein, und für den Trägerkörper (5) kann die Dicke 20 µm oder mehr betragen.
Ein derartiger Aufbau findet Anwendung für Stromstärken im Bereich etwa ab 500 A und für Sperrspannungen im Bereich etwa bis 100 V.
Die Darstellung zeigt eine Struktur des Halbleiterkörpers für eine Hochstrom-Gleichrichterdiode. Dabei ist die Verbindung jeder der beiden Außenzonen mit je einem Trägerkörper nach der Erfindung herstellbar. Halbleiter­ körper für Thyristoren können in gleicher Weise wenigstens auf der anodenseitigen Hauptfläche ganz­ flächig mit einem Trägerkörper versehen sein.
Zum Herstellen einer Anordnung nach der Erfindung wird von großflächigen Halbleiterscheiben ausgegangen, wobei jeweils eine dieser Scheiben (5) vorzugsweise entartete p-Dotierung und die andere (1) eine Struktur aus schichtförmigen Zonen (1, 2, 3) unterschiedlichen Leitungstyps mit wenigstens einem zwischenliegenden pn-Übergang aufweist. Aus physikalischen Gründen wird für den Trägerkörper eine p-dotierte Ausgangsscheibe bevorzugt. Beide Ausgangsscheiben werden z.B. einem Legierungsprozeß zu ihrer großflächigen, stoffschlüssigen Verbindung unterworfen, wozu die entartet dotierte Scheibe an der, den gleichen Leitungstyp aufweisenden Außenzone der strukturierten Scheibe angebracht wird. Dazu wird wenigstens eine der beiden zu verbindenden Flächen der beiden Ausgangsscheiben mit einer dünnen Metallisierung vorzugsweise aus Aluminium versehen, und anschließend erfolgt bei entsprechender Wärme­ behandlung das Anlegieren der beiden Scheiben.
Der Legierungsprozeß zwischen Halbleitermaterial und Kontaktmetallen oder zwischen Halbleitermaterialien ist hinlänglich bekannt und nicht Teil der Erfindung.
Nach dem Abkühlen, bei welchem sich gemäß dem Erfindungsgedanken wegen übereinstimmender Wärme­ ausdehnungskoeffizienten der beiden Ausgangsscheiben keine unerwünschte Verwölbung des Aufbaus bilden kann, werden aus dem Stapel der fest verbundenen Ausgangs­ scheiben durch bekanntes Zerteilen fertige Elemente, bestehend aus Halbleiterkörper und mit diesem fest verbundenen Trägerkörper, erzielt.
Die Verbindung der beiden Halbleiterscheiben kann auch durch Löten erzielt werden. Dazu werden die zu verbindenden Flächen mit einem lötfähigen Überzug versehen. Derartige Überzüge sind in zahlreichen Modifikationen bekannt. Die stoffschlüssige Befestigung des Halbleiterkörpers am Trägerkörper kann dann mit Hilfe eines an sich bekannten Halbleiterlotes z.B. auf der Basis von Silber oder von Blei erfolgen.

Claims (10)

1. Hochleistungs-Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (I), der eine Folge von schichtförmigen Zonen (1, 2, 3) unterschiedlichen Leitungstyps mit wenigstens einem zwischenliegenden pn-Übergang und mit einer hochohmigen, für niedrige Anschlußspannungen bemessenen Mittelzone (1) aufweist, und der an der einen seiner Hauptflächen mit einem Trägerkörper (5) fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Trägerkörper (5) aus halbleitendem Material besteht und im ganzen Volumen eine Dotierung von wenigstens der Oberflächenkonzentration an der zu verbindenden Hauptfläche des Halb­ leiterkörpers (I) aufweist, und
  • - der Halbleiterkörper (I) mit der ganzen Hauptfläche an dem Trägerkörper (5) befestigt ist.
2. Hochleistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (5) aus dem Material des Halbleiterkörpers (I) besteht.
3. Hochleistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (5) eine Dicke von wenigstens der Hälfte derjenigen des Halb­ leiterkörpers (I) aufweist.
4. Hochleistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (I) mit dem Trägerkörper (5) durch Legieren verbunden ist.
5. Hochleistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (I) mit dem Trägerkörper (5) durch Löten verbunden ist.
6. Hochleistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterkörper (I) und Trägerkörper (5) jeweils Teil einer großflächigen Ausgangsscheibe sind und infolge fester Verbindung der beiden Ausgangsscheiben und Zerteilen des aus den Ausgangsscheiben gebildeten Stapels zu einem einstückigen Halbleiterelement zusammengefügt sind.
7. Verfahren zum Herstellen eines Hochleistungs- Halbleiterbauelements nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei dem eine großflächige erste, eine Struktur schicht­ förmiger Zonen (1, 2, 3) mit wenigstens einem zwischenliegenden pn-Übergang aufweisende Halbleiter- Ausgangsscheibe an ihrer einen Hauptfläche mit einem Trägerkörper (5) fest verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - als Trägerkörper (5) eine zweite Halbleiter- Ausgangsscheibe verwendet wird, die in ihrem ganzen Volumen eine Dotierung entsprechend derjenigen an der zu verbindenden Hauptfläche der ersten Ausgangsscheibe aufweist,
  • - die beiden Ausgangsscheiben in vorgegebener räumlicher und elektrischer Zuordnung im Stapel angeordnet und stoffschlüssig zu einem einstückigen Bauteil fest verbunden werden, und
  • - das Bauteil in Halbleiterelemente kleinerer Fläche zerteilt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Halbleiterausgangsscheibe aus dem Material der strukturierten ersten Ausgangsscheibe und mit einer Dicke von wenigstens der Hälfte derjenigen der ersten Ausgangsscheibe verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgangsscheiben durch Legieren fest verbunden werden.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgangsscheiben durch Löten fest verbunden werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1808666B2 (de) * 1967-11-15 1972-07-27 Mitsubishi Denki K.K., Tokio Halbleiterelement
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