DE4337329C2 - Schnelle Leistungsdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine schnelle Leistungsdiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie sie in DE 43 10 444 A1 beschrieben ist.

Bei der Herstellung einer solchen Diode kann man unter definierten Prozeßparameter- Einstellungen zusätzlich zu den in DE 43 10 444 A1 dargelegten Effekten einen wesentlichen zusätzlichen Effekt erreichen.

Allgemein ist bekannt, daß in Halbleiterkörpern mit steigender Temperatur der innere Widerstand abnimmt. Die Leitfähigkeit für den elektrischen Strom nimmt zu. Definitionsgemäß werden alle Elemente des Periodensystems oder Verbindungen von Elementen mit diesem so definierten negativen Temperaturkoeffizienten als Halbleitermaterial bezeichnet.

Metalle besitzen einen positiven Temperaturkoeffizienten, die Leitfähigkeit für den elektrischen Strom nimmt mit steigender Temperatur ab.

Die Leitfähigkeit in einer Diode wird bestimmt durch die Zone mit der geringsten Fremdstoffdotierung, das ist in aller Regel die Mittelzone, über deren Dickenmaß soll schließlich die gewünschte Spannungsfestigkeit erreicht werden. Alle bisherigen Dioden besitzen den für Halbleitermaterial definitionsgemäßen typischen negativen Temperaturkoeffizienten im für die praktische Anwendung relevanten Strombereich.

Aus der Literatur sind Halbleiterschalter mit einem "positiven" Temperaturkoeffizienten bekannt. Bisher war es jedoch nicht möglich, diesen Effekt der Schalter vorteilhaft für die Dimensionierung der gesamten Schaltungsanordnung zu nutzen, da die dazu in gleicher Weise mit positiven Temperaturkoeffizienten arbeitende Diode fehlte.

Ein stark negativer Temperaturkoeffizient der Freilaufdiode erfordert in einer Schaltungsanordnung erhöhte Aufmerksamkeit, wenn nämlich zwei oder mehrere Freilaufdioden in einer Schaltungsanordnung parallel arbeiten, so kann die Diode mit dem niedrigsten Spannungsabfall bei der auftretenden Nennstrombelastung dadurch überfordert werden, weil eine solche Diode in den Phasen der Kommutierung einen immer größeren Stromanteil trägt und schließlich in der praktischen Schaltung überfordert wird.

Unter Nennstrom bei 25°C versteht der Fachmann den Strom, den die Diode im vollständig montierten Zustand bei einer erzwungenen Kühlkörpertemperatur von 25°C als Dauergleichstrom maximal führen kann.

In den Wert des Nennstromes geht somit die Montagetechnik ein, er ist im folgenden auf Bauelemente mit elektrisch isolierten Grundplatten bezogen. Bei vorgegebener Montagetechnik kann unter Vergrößerung der Diodenfläche ein höherer Nennstrom erreicht werden. Bei den eingesetzten Montagetechniken ist der Nennstrom 2,3 A/mm², das führt beispielsweise zu 75 A Nennstrom bei einer aktiven Diodenfläche von 32,4 mm².

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle Leistungsdiode der eingangs genannten Art derartig weiter zu verbessern, daß bei hoher Strombeanspruchung ein positiver Temperaturkoeffizient für die elektrische Leitfähigkeit in der Durchlaßrichtung gegeben ist.

Die Aufgabenstellung wird bei der erfindungsgemäßen schnellen Leistungsdiode der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Der Temperaturkoeffizient der Durchlaßspannung hängt bei einer schnellen Leistungsdiode von der Art der Rekombinationszentren ab, die in die n^--Zone eingebracht sind. Überwiegend wird bei schnellen Leistungsdioden durch Diffusion mittels Platin die Anzahl der Rekombinationszentren eingestellt. Platin besitzt den Vorteil, daß die Rekombinationszentren im Falle der Sperrspannungsbelastung nur sehr schwache Generationszentren darstellen, wodurch der "Leckstrom" klein bleibt und die Diode bis 150°C oder auch darüber noch eingesetzt werden kann.

Platin besitzt aber leider den Nachteil, daß der Temperaturkoeffizient bei Erhöhung der Konzentration der Rekombinationszentren immer stärker negativ wird. Die folgende Tabelle zeigt das Verhalten von platindiffundierten Dioden gleicher n^--Zone, gemessen bei gleicher Stromdichte von 2,34 A/mm². Die Menge der durch Platin erzeugten Störstellen wird meßtechnisch über die Trägerlebensdauer t_n- bestimmt.

Die meßtechnisch gefundenen Werte des Durchlaßspannungsabfalles U_F bei Raumtemperatur (RT) und der Differenzbetrag der gemessenen Werte von ΔU_F bei 150°C und bei Raumtemperatur sind in der Tabelle 1 ersichtlich.

Tabelle 1 (ΔV_F = V_F (150°C) - U_F(RT)):

Alternativ zu Platin kann die Diffusion zur Einstellung der Rekombinationszentren auch mittels Gold geschehen. Es ist bekannt, daß schnelle golddiffundierte Dioden bei etwa dreifachem Nennstrom einen Kreuzungspunkt der bei 150°C und Raumtemperatur gemessenen Durchlaß­ kennlinien zeigen. Oberhalb des Kreuzungspunktes ist der Temperaturkoeffizient positiv. Diese Tatsache hat jedoch für die praktische Anwendbarkeit keine Bedeutung, da der Strom im Dauerbetrieb einer schnellen Leistungsdiode als Freilaufdiode in Schaltungsanordnungen kleiner als der dreifache Nennstrom bleiben muß, in diesem Arbeitspunkt ist der Temperaturkoeffizient immer negativ.

Durch höhere Golddotierung kann dieser Kreuzungspunkt zu niederen Strömen hin verschoben werden, jedoch steigt damit die Wirkung der durch Gold zwangsläufig erzeugten Generations­ zentren stark an, die Diode wird bei Temperaturen ab ca. 130°C durch den hohen Sperrstrom thermisch instabil. Solche Dioden sind also für den praktischen Einsatz nicht geeignet.

Die Erzeugung der Rekombinationszentren mittels Bestrahlung durch hochenergetische Teilchen (Elektronen oder Ionen) liefert ab einer ausreichenden Störstellendichte einen reduziert negativen bzw. positiven Temperaturkoeffizienten der Durchlaßspannung.

Innerhalb definierter Grenzen liefert eine solche Bestrahlung zusätzlich zu den anderen in DE 43 10 444 A1 dargestellten Effekten den erfindungsgemäßen positiven Temperatur­ koeffizienten der Durchlaßspannung bei Nennstrombelastung.

Bereits eine Elektronenbestrahlung mit einer Energie von 4,5 MeV und einer Dosis von 300 kGy reicht aus, um einen Effekt in Richtung des erfinderischen Gedankens zu erkennen.

Allerdings weisen Dioden mit einer homogenen Verteilung der Rekombinationszentren über das gesamte Diodenvolumen ein sehr snappiges Schaltverhalten aus und sind deshalb sehr schlecht für den Einsatz als Freilaufdioden in Schaltungsanordnungen geeignet, da sie im Zeitpunkt der Kommutierung zu große Überspannungen injizieren.

Um die Eigenschaften des soft-recovery-Verhaltens der Freilaufdioden für genannten Einsatzzweck zu erhalten, ist eine Bestrahlung mit lokal plazierbaren Ionen möglich. Heliumionen mit in modernen Beschleunigern gut beherrschbaren Energieaufwendungen können in definierter Eindringtiefe des Diodenkörpers plaziert werden, ohne nicht beherrschbare negative Eigenschaften auf Sperrverhalten und Leckstrom zu produzieren.

Im Ergebnis einer solcherart optimierten Bestrahlung gewinnt man Dioden, die neben den bekannten Eigenschaften auch über die Eigenschaften eines schwach negativen Temperaturkoeffizienten der Durchlaßspannung bei kleinen Strömen und eines positiven Tem­ peraturkoeffizienten bei größeren Strömen im Bereich des Nennstromes der Diode verfügt.

Beispielhaft seien die Ergebnisse erläutert, die durch eine zweiphasige Bestrahlung der Dioden erwirkt wurden. Zunächst wird in einer ersten Phase eine Bestrahlung des gesamten Dioden­ volumens mit Elektronenstrahlen mit einer Energie von 4,5 MeV vorgenommen. Durch diese Bestrahlung wird die Lebensdauer der Ladungsträger in der Mittelzone (3) eingestellt, um ein zu weiches Rückstromverhalten der Diode im Zeitpunkt der Kommutierung zu vermeiden.

Eine zweite Phase der Bestrahlung wird mit Heliumkernen vorgenommen. Bei einem Energieaufwand von 5,4 MeV erreicht man eine Eindringtiefe von ca. 19 µm unterhalb der Aufdampfkontakte auf der bordiffundierten Seite, der p⁺-Zone der Diode.

Wählt man die Dosis der Heliumkernbestrahlung z. B. so, daß damit eine Flächenbelegung von 7 × 10¹¹ cm^-2 bewirkt wird, dann erzielt man eine in allen Parametern optimierte Diode für den Einsatz als soft arbeitende schnelle Leistungsdiode für den bevorzugten Einsatz als Freilaufdiode in elektronischen Schaltungsanordnungen hoher Leistungen.

Der Vorteil von solchen erfinderischen Dioden ergibt sich insbesondere auch bei parallelgeschalteten Kommutierungszweigen, da hier kein erhöhtes Risiko von thermisch unterschiedlichem Verhalten einzelner Komponenten gegeben ist. Bei der Konstruktion ist eine dermaßen optimierte Diode als schnelle Leistungsdiode wesentlich leistungsfähiger, als die dem Stand der Technik entsprechende.

Eine weitergehende Erläuterung wird anhand der nachfolgenden Fig. 1 bis 3 gegeben.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Diodenausschnittes.

Fig. 2 stellt die Durchlaßkennlinie einer Diode nach dem Stand der Technik vor.

Fig. 3 zeigt die Durchlaßkennlinie der erfinderischen Diode.

In Fig. 1 ist die Schichtenfolge einer erfindungsgemäßen Diode in nicht maßstabsgerechter Skizze als Ausschnitt dargestellt. Als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Freilaufdiode dient ein hochohmiges n-dotiertes Silizium, es bildet die Zone (3) der späteren Diode. Der Widerstand ist der späteren Sperrspannungsbelastung angepaßt. Durch Diffusion schließt sich eine hochdotierte n⁺-Zone (4) an, die zur Kontaktierung metallisiert (5) wurde.

Die gegenüberliegende Fläche wird beispielhaft einer Bordiffusion (2) unterworfen, wodurch der pn-Übergang der Diode gebildet wird, auch diese Oberfläche wird zur Kontaktierung metallisiert (1). Die Störstellenkonzentrationen der einzelnen Schichten und die Trägerlebensdauer der Minoritätsträger wurden früher (DE 38 23 795 A1) beschrieben.

Bei planarem Aufbau der Diode wird eine Randstruktur ausgebildet, wie sie in einer älteren Patentanmeldung DE 42 36 557 A1 beschrieben ist. Erfolgt die Ausbildung der Grund- Trägerlebensdauer der Diode mittels Schwermetalldiffusion, so geschieht das vor der Metallisierung, wird die Störstellenkonzentration durch Elektronenbestrahlung bewirkt, dann erfolgt das nach der Metallisierung.

Die erfindungsgemäße Erzeugung zusätzlicher, in der p-Zone (2) positionierter lokaler Rekombinationszentren, wie sie durch Strich- Punkte (6) angedeutet sind, erfolgt nach Abschluß aller Hochtemperaturprozesse an der vollständig passivierten und metallisierten Siliziumscheibe. Verwendet werden dazu Ionen, deren Eindringtiefe in Silizium über die Beschleunigungsenergie einstellbar ist. Dazu eignen sich Protonen oder Heliumkerne, es können aber auch Ionen von Elementen höherer Ordnungszahl verwendet werden, allerdings ist die notwendige Beschleunigungsenergie entsprechend wesentlich höher.

Bei der Bestrahlung mittels Protonen muß weiterhin beachtet werden, daß neben der Schaffung von Rekombinationszentren auch eine Beeinflussung der Dotierung erfolgt, diese überlagert die vorhandene und kann selbst zu einer Veränderung auch anderer Bauelementeeigenschaften führen.

Fig. 2 zeigt die Durchlaßkennlinie einer für die Untersuchungen als Verhaltensmuster herangezogenen schnellen Leistungsdiode. Dieses Muster hat gleiche technologische Bearbeitungsschritte erfahren, wie die erfinderische Diode. Der Unterschied besteht allein darin, daß anstelle einer Bestrahlung mit Heliumkernen und Elektronen die Trägerlebensdauer allein über eine Platindiffusion eingestellt wurde.

Deutlich ist der parallele Verlauf der beiden bei Raumtemperatur und bei 150°C aufgezeichneten Kurven zu erkennen.

Fig. 3 zeigt das Ergebnis des Bestrahlens einer Diode mit Heliumkernen in der Art der beispielhaften Beschreibung. Im Unterschied zu Fig. 2 ist hier ein völlig anderer Verlauf der Durchlaßkennlinienkurve zu sehen. Bei Nennstromniveau ist praktisch kein Unterschied der Diode bezüglich des Verhaltens bei der elektrischen Belastung bei Raumtemperatur und bei 150°C feststellbar, bei höheren Strömen wird der Temperaturkoeffizient positiv.

Claims (1)

1. Schnelle Leistungsdiode mit einem weichen Schaltverhalten für einen ein schaltbares Bauelement aufweisenden Kommutierungszweig mit einem Halbleiterkörper,

   • 1. der eine Folge schichtförmiger Zonen aufweist, von welchen die hochohmige, mittlere Zone (3) einen ersten Leitungstyp besitzt,
   • 2. der an der einen Seite mit einer hochdotierten, ersten Außenzone vom ersten Leitungstyp (4) versehen ist,
   • 3. der an der anderen Seite mit einer zweiten Außenzone (2) vom zweiten Leitungstyp einen np-Übergang einschließt,
   • 4. bei dem die mittlere Zone (3) durch Wahl der Dicke und Dotierungskonzentration die definierte Sperrspannungsbelastbarkeit aufweist und
   • 5. bei dem die mittlere Zone (3) und die zweite Außenzone (2) eine durch Rekombinationszentren eingestellte Trägerlebensdauer aufweisen,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentren durch Bestrahlen mit hochenergetischen Teilchen in zwei Phasen erzeugt werden, wobei die eine Phase eine Bestrahlung des gesamten Diodenkörpers mit Elektronen mit einer Energie größer gleich 4,5 MeV bei einer Dosis größer gleich 300 kGy ist, die eine homogene Einstellung der Lebensdauer der Ladungsträger bewirkt und die andere Phase der Bestrahlung mit Heliumkernen eine horizontal homogene und vertikal inhomogene Einstellung der Trägerlebensdauer bewirkt.