DE3905418C2 - - Google Patents

Description

Halbleiter-Bauelemente werden an ihren einander gegen­ überliegenden großflächigen Oberflächenseiten mit meist metallischen Kontakten versehen, um eine externe Beein­ flussung des Bauelements - beispielsweise durch Anlegen einer Spannung - zu ermöglichen. Auf der Oberfläche des Bauelements werden zur Kontaktierung Elektroden, bei­ spielsweise aus Gold, aufgedampft und mittels Bonddräh­ ten zu externen Anschlußelementen weitergeführt; als Kontaktmaterialien können aber auch Legierungen vorge­ sehen werden.

Ein großes Problem derartiger Elektroden ist, daß durch die sogenannte Ionenmigration Ionen des Elektrodenmate­ rials, beispielsweise Gold-Ionen, in den Halbleiterkör­ per wandern. Dieser Effekt ist bei Anlegen eines äuße­ ren Felds, das beispielsweise zum Betrieb des Bauele­ ments erforderlich ist, besonders stark ausgeprägt. Die kontinuierliche Abwanderung der Fremdionen des Elektro­ denmaterials in den Halbleiterkörper bewirkt eine Ver­ unreinigung des Halbleitermaterials mit unerwünschten Störstellen; es treten dadurch Alterungs- bzw. Degrada­ tionseffekte auf, die die Qualität bzw. Funktion des Bauelements negativ beeinflussen.

Das Problem der Elektromigration wird beispielsweise in den Literaturstellen T.R. Anthony, "The electromigra­ tion of liquid metal inclusions in Si", J. Appl.

Phys. 51, S. 6356-6365 (1980) und R. Faul, R. Bartosz, "Ausfallmechanismen bei integrierten Halb­ leiterbauelementen", Elektronik 10, S. 73-79, (1984) behandelt.

In der Literaturstelle M. Bechteler "Siemens Forsch.­ u. Entwickl.-Ber." Bd. 14 (1985) Nr. 2, S. 39-44, werden Gate-Turn-off-Thyristoren (GTOs) beschrieben, die neben einer Hauptelektrode auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers als weitere Elektrode eine Gateelek­ trode aufweisen. Aus der EP 02 87 770 ist es weiterhin bekannt, diese Steuerelektrode vorzugsweise ringförmig auszubilden.

Schließlich wird in der DE-OS 35 46 437 ein Verfahren zum Anreichern von Stoffen in Festkörpern unter Zuhil­ fenahme einer an den Festkörper angelegten Gleichspan­ nung dargelegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiter-Bauelements anzugeben, mit dem die Ionenmigration von den Elektroden in den Halb­ leiterkörper weitgehend verhindert werden kann.

Dies wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch erreicht, daß durch Anlegen einer Gleichspannung an die Hilfselektrode(n) ein Hilfsfeld mit einer solchen Stärke erzeugt wird, daß aus der Hauptelektrode austretende Ionen zur Hilfselek­ trode hin beschleunigt werden, ohne daß das zwischen Hauptelektrode und Rückseitenkontakt wirkende elektri­ sche Feld beeinträchtigt wird.

Das Hilfsfeld kann dabei entweder kontinuierlich oder nur zu bestimmten Zeitpunkten erzeugt werden.

Das Hilfsfeld zwischen Hauptelektrode und Hilfselek­ trode(n) im Oberflächenbereich des Bauelements leitet die durch Ionenmigration aus der Hauptelektrode austre­ tenden Ionen in Richtung Hilfselektrode(n), wo sie ab­ gesaugt werden; damit wird vermieden, daß die uner­ wünschten Fremd-Ionen des Elektrodenmaterials tiefer ins Innere des Halbleiterkörpers eintreten.

Die angelegte Spannung an die Hilfselektrode(n) und da­ mit die Feldstärke des Hilfsfelds darf dabei nicht so groß werden, daß der Betrieb des Bauelements durch die dadurch erzeugten Ströme beeinträchtigt wird. Deshalb wird das Hilfsfeld beispielsweise dann angelegt, wenn das Bauelement gerade nicht im Betrieb ist; eine andere Möglichkeit besteht darin, die Spannung an die Hilfs­ elektrode(n) nur in einem bestimmten zeitlichen Ab­ stand, d. h. pulsförmig anzulegen. Ist das Bauelement in integrierten Schaltungen eingesetzt, ist auch denk­ bar, daß der Entladestrom von Kondensatoren beim Ab­ schalten der integrierten Schaltung zur Erzeugung des Hilfsfelds verwendet wird.

Der Durchmesser der Hilfselektrode(n) wird in Abhängig­ keit der Größe der Hauptelektrode gewählt; je nach Bau­ element sind die Hilfselektroden gleich groß oder klei­ ner als die Hauptelektrode. Der Abstand der Hilfselek­ trode(n) von der Hauptelektrode wird so gewählt, daß die Feldstärke ausreicht, die Fremd-Ionen zu beeinflus­ sen.

Die Erfindung soll nachstehend noch anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen beschrieben werden.

Dabei ist in Fig. 1 ein Bauelement dargestellt, das in Sperr-Richtung gepolt ist, in Fig. 2 ein in Durchlaß- Richtung gepoltes Bauelement.

Die Fig. 1 zeigt eine Kapazitätsdiode, bei der auf ei­ ner N-leitenden Halbleiterschicht 1 eine P-leitende Halbleiterschicht 2 aufgebracht ist. Die Rückseite des Bauelements ist durch den Rückseitenkontakt 3, die Oberfläche mittels der Hauptelektrode 4 kontaktiert. Die Hauptelektrode 4 wird an den negativen Pol, der Rückseitenkontakt 3 an den positiven Pol einer Span­ nungsquelle angeschlossen, so daß eine als Kondensator wirksame ladungsträgerarme Schicht 6 in der Nähe des PN-Übergangs 5 entsteht. Auf der Oberfläche des Bauele­ ments sind lateral zur Hauptelektrode 4 zwei weitere Hilfselektroden 7 angebracht, die kleiner als die Hauptelektrode 4 sind und beispielsweise bei einem Durchmesser der Hauptelektrode 4 von 100 µm einen Durchmesser von 50 µm besitzen. Wie die Hauptelek­ trode 4, bestehen auch die Hilfselektroden 7 aus Gold und sind mittels Bonddrähten 8 an die Versorgungsspan­ nung angeschlossen; beide Hilfselektroden besitzen da­ bei positive Polarität.

Um eine Ionenmigration in die P-Schicht bzw. in die Ka­ pazitätszone 6 zu vermeiden, wird nun pulsförmig, bei­ spielsweise alle 1000 s, an die Hilfselektroden 7 eine Gleichspannung angelegt; durch das daraus resultierende elektrische Feld werden die aus der Hauptelektrode 4 austretenden Ionen entlang der Oberfläche der P- Schicht 2 in Richtung Hilfselektroden 7 geleitet. Bei einer Versorgungs- bzw. Betriebsspannung der Kapazi­ tätsdiode von 20 V wird beispielsweise eine Spannung von 0,1 bis 1 V an die Hilfselektroden angelegt.

Bei einer Breite des Bauelements von beispielsweise 300 µm beträgt der Abstand zwischen Hauptelektrode 4 und Hilfselektrode 7 beispielsweise 20 µm.

Die Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Bau­ element, beispielsweise eine Leuchtdiode, bei der auf einer P-leitenden Halbleiterschicht 1 eine N-leitende Halbleiterschicht 2 aufgebracht wird. Anschließend wird die Hilfselektrode 7a, die eine kammförmige Struktur besitzt, auf die Oberfläche der N-leitenden Schicht 2 beispielsweise aufgedampft und mittels einer weiteren, dünnen N-leitenden Schicht 2a bedeckt. Diese N-leitende Oberflächenschicht 2a wird mittels der Elektrode 4, die P-leitende Schicht 1 mittels der Elektrode 3 kontak­ tiert. Die Elektrode 4 wird an den negativen Pol, die Elektrode 3 an den positiven Pol einer Spannungsquelle angeschlossen, so daß die Leuchtdiode in Durchlaßrich­ tung gepolt ist. Die Hilfselektrode 7a ist mittels der Zuleitung 8a an den positiven Pol einer Spannungsquelle angeschlossen. Die Dicke der Halbleiterschicht 2a wird so gewählt, daß sie beispielsweise 10% des Abstands zwischen den beiden Hauptelektroden 8 beträgt.

Wenn nun das Bauelement gerade nicht in Betrieb ist, wird kurzzeitig an die Hilfselektrode 7a eine positive Spannung angelegt, wodurch die durch Ionenmigration aus der Elektrode 4 in den Halbleiterkörper einwandernden Fremd-Ionen nach Durchlaufen der dünnen Oberflächen­ schicht 2a von der Hilfselektrode 7a abgesaugt werden. Bei einer Versorgungsspannung der Leuchtdiode von 1,5 V wird beispielsweise eine Spannung von 0,1 bis 1,5 V während einer Zeitdauer von 1 ms an die Hilfselektroden­ angelegt. Bei einer Höhe der Leuchtdiode von beispiels­ weise 300 µm ist die Hilfselektrode beispielsweise 30 µm unterhalb der Oberfläche angeordnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verhinderung der Ionenmigration läßt sich bei allen Halbleiter- Bauelementen einsetzen.

Vorzugsweise werden jedoch solche Bauelemente mit Hilfselektroden versehen und mit einem Hilfsfeld beauf­ schlagt, bei denen eine vorzeitige Degradation aus Ko­ stengründen vermieden werden soll bzw. solche Bauele­ mente, bei denen eine besondere Konstanz der Bauele­ mente-Eigenschaften verlangt wird. Als Beispiele hierzu lassen sich integrierte Schaltungen oder Frequenzgeber anführen.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiter-Bauelements mit wenigstens einer Hauptelektrode (4) auf der Ober­ fläche und einem Rückseitenkontakt (3) auf der gegen­ überliegenden Seite des Bauelements, wobei beabstandet von der Hauptelektrode (4) mindestens eine zusätzliche Hilfselektrode (7, 7a) angebracht ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch Anlegen einer Gleichspannung an die Hilfselektrode(n) (7, 7a) ein Hilfsfeld mit einer sol­ chen Stärke erzeugt wird, daß aus der Hauptelektrode (4) austretende Ionen (9) zur Hilfselektrode (7, 7a) hin beschleunigt werden, ohne daß das zwischen Haupt­ elektrode (4) und Rückseitenkontakt (3) wirkende elek­ trische Feld beeinträchtigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfeld entweder kontinuierlich oder nur zu bestimmten Zeitpunkten erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Vermeidung der Ionenmigration bei Halbleiter-Bauelementen von der Hauptelektrode (4) ins Innere des Halbleiterkörpers (2, 6, 1).