EP2030242A1 - Halbleiterbauelement und gleichrichteranordnung - Google Patents

Halbleiterbauelement und gleichrichteranordnung

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EP2030242A1
EP2030242A1 EP07729378A EP07729378A EP2030242A1 EP 2030242 A1 EP2030242 A1 EP 2030242A1 EP 07729378 A EP07729378 A EP 07729378A EP 07729378 A EP07729378 A EP 07729378A EP 2030242 A1 EP2030242 A1 EP 2030242A1
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EP
European Patent Office
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diodes
silicon
hjd
heterojunction
semiconductor
Prior art date
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Ceased
Application number
EP07729378A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Spitz
Alfred Goerlach
Gert Wolf
Ning Qu
Markus Mueller
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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    • H10D8/20—Breakdown diodes, e.g. avalanche diodes

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor component according to the feature combination of claim 1 and a rectifier arrangement comprising a number of such semiconductor components.
  • Rectifier AC bridges which are usually composed of at least six semiconductor diodes with a pn junction made of silicon. These silicon semiconductor diodes are designed for operation at high currents, for example at a current density of more than 500 A / cm.sup.2 and high temperatures. For example, the junction temperature can be up to 225 ° C. Typically, the voltage drop in such conventional diodes in the flow direction, ie the so-called forward voltage UF at the high currents occurring is about 1 volt. When operating in the reverse direction generally only a very small reverse current IR flows up to a breakdown voltage UZ.
  • Voltage and Zener diodes with reverse voltages which are approximately in the range of 20 to 40 V depending on the vehicle electrical system voltage of the vehicle.
  • the high-blocking diodes (HS diodes) must not be operated in breakdown.
  • Zener diodes can also be operated in breakdown mode and, for a short time, even loaded with very high currents. They are therefore usually used to limit the overshooting generator voltage during load changes, so used in the load-dump case.
  • Rectifier bridge for an alternator leads to deterioration of the efficiency of the generator, not negligible. Since an average of two diodes are always connected in series, the average forward losses for a 100 A generator are about 200 watts. The associated heating of the diodes and the rectifier must be reduced by complex cooling measures. In the DE
  • HED high-efficiency diodes
  • Diodes are referred to as high-efficiency diodes or high-efficiency Schottky diodes (HEDs) which, unlike conventional diodes or Schottky diodes, have no barrier lowering effect (BL effect) caused by the blocking voltage and therefore have very low reverse currents.
  • BL effect barrier lowering effect
  • High efficiency Schottky diodes consist of a combination of conventional Schottky diodes monolithically integrated on a semiconductor chip with other elements such as field plates, pn junctions or different barrier metals. These are often implemented in trench technology, a high-efficiency Schottky diode then contains at least some trench or trench structures.
  • the trenches are typically about 1-3 microns deep and about 0.5 to 1 microns wide. With such high-efficiency Schottky diodes significantly lower forward voltages UF of about 0.5 to 0.6 volts can be realized.
  • HED high-efficiency Schottky diodes
  • Hetero-junction can be used in a particularly advantageous manner for the rectification of the output voltage or the output current of generators, in particular three-phase generators for vehicles.
  • a heterojunction of two different Semiconductor materials may consist of a p-doped layer or a p-doped region
  • Silicon germanium (Si j _ x Ge x ) and an n-doped layer or an n-doped region of silicon (Si) are formed.
  • the index x designates the germanium content.
  • x 0.3 corresponds to a germanium content of 30% in the silicon-germanium layer.
  • Heterogeneous transitions are exploited in various components of semiconductor technology in order to achieve certain advantages.
  • AIQ 2 Gag ⁇ As / GaAs As an example of such semiconductors with heterojunctions, let AIQ 2 Gag ⁇ As / GaAs.
  • diodes can be achieved by means of suitable composition of the particular advantage that the forward voltage UF is smaller than in a conventional diode, which consists only of a semiconductor material which is doped differently.
  • Diodes with such structures in which the pn junction or the pn junctions consist of different materials are referred to as heterojunction diodes (HJD).
  • HED high-efficiency Schottky diodes
  • the hetero-junction diodes are very easy to produce, since they do not have to have fine structures.
  • the cost of cooling the heterojunction diodes can be reduced over the use of conventional pn diodes.
  • the low temperatures of the hetero-junction diodes increase the
  • Heterojunction diodes denote diodes which have a heterojunction instead of a customary pn junction made of differently doped silicon.
  • a heterojunction is formed from two different semiconductor materials. For example, a hetero-junction of a p-doped layer or a p-doped region of silicon germanium (Si j _ x Ge x) and an n-doped layer and an n-doped region of silicon (Si) are formed.
  • the heterojunction is designed in such a way that the forward voltage UF of the diode is smaller than the forward voltage of a comparable pn diode, in which the p and n regions consist of the same semiconductor material but are doped differently.
  • UF means: forward voltage
  • IF flow current
  • IR reverse current
  • UR blocking voltage
  • the typical forward voltage UF of a conventional silicon diode with a pn junction set only by different doping is about 1 volt, it can be seen from the above equation that when replacing a conventional diode with a heterojunction diode (HJD) a forward voltage UF between 0.5 and 0.7 volts, the power loss can be reduced by 30 to 50%, provided that the barrier losses IR * UR are kept small.
  • HJD heterojunction diode
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the energy band of a silicon-germanium / silicon transition (SiGe / Si transition) with a germanium content of 30% at room temperature in the equilibrium state. Silicon germanium is p-doped and silicon is n-doped. The energy distribution in electron volts is plotted
  • Ec, Ev and EF denote the lower edge of the conduction band, upper edge of the valence band and Fermi energy.
  • the energy barrier for electrons is denoted by ⁇ bn.
  • the energy barrier ⁇ bn for electrons is about 0.79 eV, for holes is the
  • the energy barrier can be influenced by the germanium content.
  • a barrier as in the heterojunction illustrated in FIG. 2 is less dependent on the applied blocking voltage UR, only a small barrier lowering BL is present. Therefore, the reverse currents in hetero-transitions or in hetero-
  • HJD Junction diodes
  • HJD heterojunction diode
  • This heterojunction diode has a flux voltage of about 650 mV at a flux density of 500 AJc ⁇ c? on.
  • the so-called avalanche breakdown voltage UZ is about 22 V.
  • the hetero-junction diode (HJD) consists of a, about 200 micron thick substrate 1 of n-doped silicon. Above this there is an n-doped silicon epitaxial layer 2 with a thickness of approximately 1.1 ⁇ m.
  • the doping concentration is, for example 4.5 * I "cm ⁇ - ⁇ Over this layer is the silicon-germanium layer 3 mm with a germanium content of 10 to 40% of the silicon-germanium layer 3 is between 10 and 50 thick and. doped with boron at a concentration of more than 10 * "cm ⁇ ->. If higher dopings are desired, a stepped p-doping profile is advantageous. The pn junction is located within the silicon germanium region.
  • Both the silicon germanium layer 3 at the top and the substrate 1 at the bottom are each provided with a metallic contact 4 and 5, respectively.
  • a metallic contact 4 and 5 for example, a layer sequence of chromium, nickel and silver can be used.
  • the contacts 4 and 5 form the anode and cathode of
  • Heterojunction diode At the edge of the structure according to FIG. 1, structures which increase the blocking capability of the component on the chip edge (for example by means of a guard ring or field plates, etc.) are applied by conventional photolithographic processes and by diffusion. In the example of the heterojunction diode (HJD) according to FIG. 1, the edge structure is not explicitly illustrated.
  • heterojunction diode In the production of the structure of a heterojunction diode (HJD) shown in FIG. 1, after the individual process steps have been carried out, the semiconductor wafer is divided in the usual way into individual diode chips. The diode chips can then be soldered, for example, in a known standardized Einpressdiodengephase and enclosed with a plastic compound.
  • Such heterojunction diodes (HJD) can be mounted in the rectifier, in particular for a three-phase generator for a vehicle such as the usual pn diodes in the press-fit housing by pressing into the heat sink or bearing plates of the generator.
  • the forward voltage UF and the reverse current IR can be set in the desired manner.
  • the desired values for the forward voltage UF and reverse current IR are selected such that after installation in the rectifier, the properties desired for the rectifier are obtained.
  • FIG. 3 shows typical dependencies of forward voltage UF and reverse current density JR for a 22 volt heterojunction diode (HJD) as a function of germanium content in the silicon germanium layer and as a function of the silicon germanium layer thickness at room temperature. It can be seen that the forward voltage UF and the blocking current density JR and thus also the reverse current IR can be adjusted by selecting the germanium content.
  • HJD heterojunction diode
  • heterojunction diodes HJD
  • HJD heterojunction diodes
  • Arrangements or structures or rectifier arrangements are also possible which, for example, have additionally integrated a further pn junction which determines the value of the breakdown voltage.
  • the arrangement is such that the hetero-junction diodes used have additionally integrated further pn junctions, which then determine the value of the forward voltage.
  • circuits are possible in which only the plus diodes or alternatively only the negative diodes by
  • Hetero-junction diodes are replaced.
  • a series connection of conventional pn diodes with heterojunction diodes is used. Although this reduces the power increase of the generator, but on the other hand, the leakage currents of the generator are lower because the reverse currents of conventional pn diodes are generally lower than the blocking currents of heterojunction diodes.
  • the proportion of load-dump energy between the heterojunction diodes (HJD) and the pn diodes, which consist only of Si, can advantageously be distributed or influenced.
  • hetero-junction diodes for use in rectifiers of generators, the additional structures such as Schottky junctions, pn structures and Field plates are possible. These can be configured in a planar arrangement or else with trench structures or trench structures.
  • the combination of the structures described above with heterojunction diodes (HJD) are particularly suitable for use in rectifiers for generators in motor vehicles.
  • heterojunction diodes materials other than SI and Ge can also be used. In particular, these are different materials from the group of III / V compounds. Then, for example, a layer of silicon (Si) and a layer, for example, instead of silicon germanium (SiGe) on a silicon-carbon (SiC) compound.

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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

Es werden Halbleitereinrichtungen, sogenannte Hetero-Junction-Dioden (HJD) und Gleichrichteranordnungen mit derartigen Halbleitereinrichtungen angegeben. Die Hetero- Junction-Dioden (HJD) setzen sich zusammen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, insbesondere Silizium-Germanium und Silizium, die jeweils unterschiedlich dotiert sind. Durch Wahl des Germaniumanteils sowie der Dichte der SiGe-Schicht lassen sich Eigenschaften wie Durchbruchspannung und Sperrstrom der Diode in gewissen Bereichen einstellen. Die Hetero-Junction-Dioden (HJD) sind in Gleichrichteranordnungen, beispielsweise für Generatoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei zusätzlich zu den Hetero-Junction-Dioden (HJD) weitere Halbleiterelemente geschaltet sein können, beispielsweise Schottky-Dioden, Zenerdioden oder Feldplatten. Durch die geringe Flussspannung der Hetero-Junction-Dioden (HJD) wird der Wirkungsgrad sowie die Abgabeleistung im Leerlauf des Generators gegenüber herkömmlichen Halbleiterbrücken verbessert.

Description

Beschreibung
Titel
Halbleiterbauelement und Gleichrichteranordnung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach der Merkmalskombination des Anspruchs 1 sowie eine Gleichrichteranordnung mit einer Anzahl von derartigen Halbleiterbauelementen.
Zur Gleichrichtung des Ausgangsstroms bzw. der Ausgangsspannung von Kraftfahrzeugdrehstromgeneratoren werden Gleichrichter mit Wechselstrombrücken eingesetzt, die sich üblicherweise aus mindestens sechs Halbleiterdioden mit einem pn- Übergang aus Silizium zusammensetzen. Diese Silizium Halbleiterdioden sind für den Betrieb bei hohen Strömen, beispielsweise bei einer Stromdichte von mehr als 500 A/crn^ sowie hohen Temperaturen ausgelegt. Beispielsweise kann die Sperrschichttemperatur dabei bis zu 225°C betragen. Typischerweise beträgt der Spannungsabfall bei solchen herkömmlichen Dioden in Flussrichtung, also die sogenannte Flussspannung UF bei den auftretenden hohen Strömen ca. 1 Volt. Bei Betrieb in Sperrrichtung fließt im Allgemeinen nur ein sehr kleiner Sperrstrom IR bis zu einer Durchbruchspannung UZ.
Bei Erreichen dieser Spannung steigt der Sperrstrom IR sehr stark an. Ein weiterer Spannungsanstieg wird deshalb verhindert.
Bei den heute eingesetzten Silizium Dioden wird grundsätzlich unterschieden zwischen hochsperrenden Dioden (HS-Dioden) mit einer Zenerspannung von etwa 200 bis 400
Volt und Zenerdioden mit Sperrspannungen, die je nach Bordnetzspannung des Fahrzeugs etwa im Bereich von 20 bis 40 V liegen. Die hochsperrenden Dioden (HS- Dioden) dürfen dabei nicht im Durchbruch betrieben werden. Zenerdioden können dagegen auch im Durchbruchbetrieb betrieben werden und kurzzeitig sogar mit sehr hohen Strömen, belastet werden. Sie werden deshalb üblicherweise zur Begrenzung der überschießenden Generatorspannung bei Lastwechseln, also im Load-Dump-Fall eingesetzt.
Als gewisser Nachteil hat sich erwiesen, dass die Flussspannung UF der Silizium Dioden mit üblichem pn-Übergang, die zu Durchlassverlusten und damit bei Einsatz in einer
Gleichrichterbrücke für einen Drehstromgenerator zur Verschlechterung des Wirkungsgrads des Generators führt, nicht vernachlässigbar ist. Da im Mittel immer zwei Dioden in Reihe geschaltet sind, betragen die mittleren Durchlassverluste bei einem 100 A-Generator ca. 200 Watt. Die damit verbundene Aufheizung der Dioden und des Gleichrichters muss durch aufwändige Kühlmaßnahmen verringert werden. In der DE
102004056663.1 wird daher vorgeschlagen, zur Reduktion der Durchlassverluste sogenannte Hocheffizienzdioden (HED) anstelle von herkömmlichen Silizium Dioden mit üblichem pn-Übergang einzusetzen. Als Hocheffizienzdioden bzw. Hocheffizienz- Schottky-Dioden (HED) werden dabei Dioden bezeichnet, die im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden bzw. Schottky-Dioden keinen durch die Sperrspannung verursachten Barrier Lowering-Effekt (BL-Effekt) aufweisen und deshalb sehr niedrige Sperrströme haben.
Hocheffizienz-Schottky-Dioden bestehen aus einer monolithisch auf einem Halbleiterchip integrierten Kombination von herkömmlichen Schottky-Dioden mit anderen Elementen wie Feldplatten, pn-Übergängen oder unterschiedlichen Barrierenmetallen. Diese sind häufig in Trench-Technik ausgeführt, eine Hocheffizienz- Schottky-Diode enthält dann mindestens einige Graben- oder Trench- Strukturen. Die Gräben sind dabei typischerweise etwa 1-3 Mikrometer tief und etwa 0,5 bis 1 Mikrometer breit. Mit solchen Hocheffizienz-Schottky-Dioden können wesentlich niedrigere Flussspannungen UF von etwa 0,5 bis 0,6 Volt realisiert werden.
Da Hocheffizienz-Schottky-Dioden bei höheren Sperrschichttemperaturen betrieben werden, können als herkömmliche Schottky-Dioden eignen sich zum Einsatz in Gleichrichterbrücken für Generatoren. Durch die geringen Durchlassverluste erhöht sich der Wirkungsgrad und die Abgabeleistung des Generators. Durch das schnelle Schalten der Schottky-Dioden ist die Funkenstörung des Generators geringer als bei herkömmlichen Dioden. Infolge der niedrigen Sperrverlustleistung kann der Aufwand für die Kühlung der Dioden gegenüber dem Einsatz von pn-Dioden reduziert werden. Außerdem erhöhen die geringen Temperaturen der Dioden den Freiheitsgrad für die
Auslegung bzw. Partitionierung des Gleichrichters. Es bieten sich dabei mehr Möglichkeiten, die Elemente des Gleichrichters: Dioden, Strukturen zur Kühlung, Verschaltungselemente usw. geeignet anzuordnen. Auch ist bei einigen Varianten von Hocheffizienz-Schottky-Dioden ein Zenerbetrieb möglich. Hocheffizienz-Schottky- Dioden sind jedoch sehr aufwändig herzustellen und damit auch teuer, da sie aus einer Vielzahl von sehr feinen Strukturen bestehen und teilweise Strukturen von weniger als einem Mikrometer Ausdehnung aufweisen.
Eine vorteilhafte Alternative zu den vorstehend beschriebenen Hocheffizienz-Schottky- Dioden (HED) besteht darin, Halbleiterbauelemente, vorzugsweise Dioden so auszugestalten, dass sie mindestens einen HeteroÜbergang enthalten. Solche Dioden mit
HeteroÜbergang können in besonders vorteilhafter Weise für die Gleichrichtung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms von Generatoren, insbesondere Drehstromgeneratoren für Fahrzeuge eingesetzt werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleiterbauelementen, insbesondere Dioden, die übliche pn-Übergänge aufweisen, bei denen die beiden unterschiedlich dotierten Schichten bzw. Bereiche, die den pn-Übergang bilden, aus demselben Halbleitermaterial, beispielsweise aus Silizium, bestehen, wird ein HeteroÜbergang aus zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien gebildet. Beispielsweise kann ein HeteroÜbergang aus einer p-dotierten Schicht bzw. einem p-dotierten Bereich aus
Silizium-Germanium (Sij_xGex) und einer n-dotierten Schicht bzw. einem n-dotierten Bereich aus Silizium (Si) gebildet werden. Der Index x bezeichnet dabei den Germaniumanteil. Beispielsweise entspricht x = 0,3 einem Germaniumanteil von 30 % in der Silizium-Germanium-Schicht.
Bei verschiedenen Bauelementen der Halbleitertechnik werden, um gewisse Vorteile zu erzielen, HeteroÜbergänge ausgenutzt. Dabei werden vorzugsweise Halbleiter mit großer Bandlücke (Wide Band Semiconductors) verwendet. Als Beispiel für solche Halbleiter mit HeteroÜbergängen sei AIQ 2 Gag § As/GaAs genannt. Mit entsprechenden Dioden kann mittels geeigneter Zusammensetzung der besondere Vorteil erreicht werden, dass die Flussspannung UF kleiner ist als bei einer üblichen Diode, die nur aus einem Halbleitermaterial besteht, das unterschiedlich dotiert ist. Dioden mit solchen Strukturen, bei denen der pn-Übergang oder die pn-Übergänge aus unterschiedlichen Materialien bestehen werden als Hetero-Junction-Dioden (HJD) bezeichnet. Im Gegensatz zu den Hocheffizienz-Schottky-Dioden (HED) sind die Hetero-Junction-Dioden sehr einfach herzustellen, da sie keine feinen Strukturen aufweisen müssen. - A -
Beim Einsatz von Hetero-Junction-Dioden in Gleichrichtern für Kraftfahrzeuggeneratoren erhöht sich wegen der geringeren Flussspannung UF der Wirkungsgrad und die Abgabeleistung des Generators. Durch das vorteilhafte schnelle Schalten der Schottky-Dioden verbessert sich zudem die Funkentstörung des Generators in bestimmten Frequenzbereichen.
Als Folge der niedrigen Durchlassverlustleistung kann der Aufwand für die Kühlung der Hetero-Junction-Dioden gegenüber dem Einsatz von herkömmlichen pn-Dioden reduziert werden. Außerdem erhöhen die geringen Temperaturen der Hetero-Junction-Dioden den
Freiheitsgrad für die Auslegung des Gleichrichters bzw. dessen Partitionierung. Weiterhin ist vorteilhaft, dass beim Einsatz von Hetero-Junction-Dioden im Gleichrichter auch deren Einsatz im Zenerbetrieb im Load-Dump-Fall möglich ist.
Offenbarung der Erfindung
Als Hetero-Junction-Dioden (HJD) werden Dioden bezeichnet, die an Stelle eines üblichen pn-Übergangs aus unterschiedlich dotiertem Silizium einen Hetero-Üb ergang aufweisen. Ein HeteroÜbergang wird dabei aus zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien gebildet. Beispielsweise kann ein HeteroÜbergang aus einer p- dotierten Schicht bzw. einem p-dotierten Bereich aus Silizium-Germanium (Sij_xGex) und einer n-dotierten Schicht bzw. einem n-dotierten Bereich aus Silizium (Si) gebildet werden. Der HeteroÜbergang ist dabei erfindungsgemäß so ausgelegt ist, dass die Flussspannung UF der Diode kleiner ist als die Flussspannung einer vergleichbaren pn- Diode, bei der der p- und n-Bereich aus demselben Halbleitermaterial besteht, jedoch unterschiedlich dotiert ist.
Optimal ist für die Hetero-Junction-Dioden (HJD) ein Mittelweg zwischen Reduktion der Flussspannung UF und der damit automatisch verbundenen Erhöhung des Sperrstroms. Erfindungsgemäß liegen bei Hetero-Junction-Dioden (HJD) die Flussspannungen UF, gemessen bei einer Stromdichte von jF = 500 A pro cm^ etwa zwischen 0,5 und 0,7 Volt.
Werden sechs Dioden in einem Gleichrichter für Drehstromgeneratoren in einem Fahrzeug eingesetzt ergibt sich für die Gesamtverlustleistung des Gleichrichters, die sich aus Durchläse- und Sperrverlusten zusammensetzt, folgende Beziehung: Gesamtverlustleistung: P = 0,5 UF*IF + 0,5*IR*UR
Dabei bedeuten UF: Flussspannung, IF: Flussstrom, IR: Sperrstrom, UR: Sperrspannung.
Da die typische Flussspannung UF einer herkömmlichen Silizium Diode mit einem nur durch unterschiedliche Dotierung eingestellten pn-Übergang etwa 1 Volt beträgt, ist aus der oben stehenden Gleichung zu erkennen, dass beim Ersatz einer herkömmlichen Diode durch eine Hetero-Junction-Diode (HJD) mit einer Flussspannung UF zwischen 0,5 und 0,7 Volt die Verlustleistung um 30 bis 50 % reduziert werden kann, sofern die Sperrverluste IR * UR klein gehalten werden.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Energiebands eines Silizium- Germanium/Silizium-Übergangs (SiGe/Si-Übergang) mit einem Germanium- Anteil von 30 % bei Raumtemperatur im Gleichgewichtszustand. Silizium-Germanium ist dabei p- dotiert und Silizium ist n-dotiert. Aufgetragen ist die Energieverteilung in Elektronenvolt
(eV) über dem Abstand. Ec, Ev und EF bezeichnen die Unterkante des Leitungsbandes, Oberkante des Valenzbandes und Fermienergie. Die Energiebarriere für Elektronen ist mit Φbn bezeichnet.
Die Energiebarriere Φbn für Elektronen beträgt etwa 0,79 eV, für Löcher beträgt die
Energiebarriere Φbn etwa 1,12 eV. Deshalb wird der Strom im Wesentlichen von Elektronen getragen. Die Energiebarriere kann durch den Germanium- Anteil beeinflusst werden. Je geringer der Germaniumanteil wird, desto höher wird die Barriere, das heißt desto höher wird die Flussspannung UF und desto kleiner wird der Sperrstrom. Bei einem Germaniumanteil von 0 liegt ein üblicher Silizium-pn-Üb ergang vor.
Im Gegensatz zu Schottky-Dioden, bei denen ebenfalls eine Energiebarriere vorliegt, ist eine Barriere wie in dem in Figur 2 dargestellten HeteroÜbergang weniger von der angelegten Sperrspannung UR abhängig, es ist nur ein geringes Barrier Lowering BL vorhanden. Deshalb sind die Sperrströme bei HeteroÜbergängen bzw. bei Hetero-
Junction-Dioden (HJD) auch ohne aufwändige Maßnahmen, wie sie beispielsweise bei Hocheffizienz-Schottky-Dioden (HED) angewandt werden, geringer als bei Schottkydioden..
Ein Ausführungsbeispiel einer erfmdungsgemäßen Hetero-Junction-Diode (HJD) ist in
Figur 1 ausschnittsweise im Querschnitt dargestellt. Diese Hetero-Junction-Diode (HJD) weist eine Flussspannung von ca. 650 mV bei einer Flussstromdichte von 500 AJcτc? auf. Die sogenannte Avalanche-Durchbruchspannung UZ beträgt etwa 22 V. Die Hetero- Junction-Diode (HJD) besteht aus einem, etwa 200 μm dicken Substrat 1 aus n-dotiertem Silizium. Darüber befindet sich eine n-dotierte Silizium-Epitaxie-Schicht 2 mit einer Dicke von etwa 1,1 μm. Die Dotierungskonzentration beträgt beispielsweise 4,5* ICH" cm~-\ Über dieser Schicht befindet sich die Silizium-Germanium-Schicht 3 mit einem Germaniumanteil von 10 bis 40 %. Die Silizium-Germanium-Schicht 3 ist zwischen 10 und 50 mm dick und mit Bor mit einer Konzentration von mehr als lO*" cm~-> dotiert. Werden höhere Dotierungen gewünscht, ist ein gestuftes p-Dotierprofil vorteilhaft. Der pn-Übergang befindet sich dabei innerhalb des Silizium-Germanium-Bereichs.
Sowohl die Silizium-Germanium-Schicht 3 an der Oberseite als auch das Substrat 1 an der Unterseite ist mit je einem metallischen Kontakt 4 bzw. 5 versehen. Bei den metallischen Kontakten kann beispielsweise eine Schichtfolge von Chrom, Nickel und Silber verwendet werden. Die Kontakte 4 und 5 bilden die Anode bzw. Kathode der
Hetero-Junction-Diode (HJD). Am Rand der Struktur nach Figur 1 werden durch übliche photolithographische Prozesse sowie durch Diffusion Strukturen angebracht, die die Sperrfähigkeit des Bauteils am Chiprand erhöhen (beispielsweise durch einen Guardring oder Feldplatten usw). Bei dem Beispiel der Hetero-Junction-Diode (HJD) nach Figur 1 ist die Randstruktur nicht explizit dargestellt.
Bei der Herstellung der in Figur 1 dargestellten Struktur einer Hetero-Junction-Diode (HJD) wird nach dem Durchführen der einzelnen Prozessschritte der Halbleiterwafer in üblicher Weise in einzelne Diodenchips aufgeteilt. Die Diodenchips können dann beispielsweise in ein bekanntes standardisiertes Einpressdiodengehäuse eingelötet und mit einer Kunststoffmasse umschlossen werden. Solche Hetero-Junction-Dioden (HJD) können im Gleichrichter, insbesondere für einen Drehstromgenerator für ein Fahrzeug wie die üblichen pn-Dioden im Einpressgehäuse durch Einpressen in die Kühlkörper oder Lagerschilde des Generators montiert werden.
Wesentlich ist, dass sich durch Wahl des Germanium- Anteils in der SiGe-Schicht bzw. des SiGe-Bereichs und/oder durch Wahl der Dicke der SiGe-Schicht die Flussspannung UF und der Sperrstrom IR in gewünschter Weise einstellen lässt. Die angestrebten Werte für die Flussspannung UF und den Sperrstrom IR werden so ausgewählt, dass nach dem Einbau in den Gleichrichter die für den Gleichrichter angestrebten Eigenschaften erhalten werden. In Figur 3 sind typische Abhängigkeiten von Flussspannung UF und Sperrstromdichte JR für eine 22 Volt Hetero-Junction-Diode (HJD) als Funktion von Germaniumanteil in der Silizium-Germanium-Schicht sowie als Funktion von der Silizium-Germanium Schichtdicke bei Raumtemperatur dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich durch Wahl des Germaniumanteils die Flussspannung UF und die Sperrstromdichte JR und damit auch der Sperrstrom IR einstellen lässt.
Mit den in Figur 1 dargestellten und vorstehend näher beschriebenen Hetero-Junction- Dioden (HJD) können an sich bekannte Gleichrichter für Generatoren ausgestattet werden, wobei anstelle der üblichen sechs Dioden sechs Hetero-Junction-Dioden (HJD) eingesetzt werden. Falls die Spannungsbegrenzung im Load- Dump-Fall durch die Hetero- Junction-Dioden allein nicht ausreichend ist, können im Gleichrichter auch herkömmliche Zenerdioden zu den Hetero-Junction-Dioden parallel geschaltet werden. In diesem Fall muss die Durchbruchspannung der Hetero-Junction-Dioden größer gewählt werden als die der Zenerdioden. Dann übernehmen die Hetero-Junction-Dioden in Vorwärtsrichtung den Strom, während der Durchbruch ausschließlich in der herkömmlichen Zenerdiode stattfindet.
Es sind auch Anordnungen bzw. Strukturen oder Gleichrichteranordnungen möglich, die beispielsweise zusätzlich einen weiteren pn-Übergang integriert haben, der den Wert der Durchbruchspannung bestimmt. Die Anordnung ist dabe derart möglich, dass die eingesetzten Hetero-Junktion-Dioden zusätzlich weitere pn-Übergänge integriert haben, die dann den Wert der Durchlassspannung bestimmen. Außerdem sind Schaltungen möglich, bei denen jeweils nur die Plusdioden oder alternativ nur die Minusdioden durch
Hetero-Junction-Dioden ersetzt werden. Es wird dann also eine Reihenschaltung von herkömmlichen pn-Dioden mit Hetero-Junction-Dioden verwendet. Dadurch wird zwar die Leistungssteigerung des Generators reduziert, andererseits werden aber die Leckströme des Generators niedriger, da die Sperrströme herkömmlicher pn-Dioden im Allgemeinen niedriger sind als die Sperrströme von Hetero-Junction-Dioden. Durch diese
Maßnahme kann darüber hinaus der Anteil der Load-Dump-Energie zwischen den Hetero-Junction-Dioden (HJD) und den pn-Dioden, die nur aus Si bestehen in vorteilhafter Weise verteilt bzw. beeinflusst werden.
Weitere Ausführungsformen von Hetero-Junction-Dioden zum Einsatz in Gleichrichtern von Generatoren, die zusätzliche Strukturen wie Schottky-Übergänge, pn-Strukturen und Feldplatten aufweisen, sind möglich. Diese können im planarer Anordnung oder aber mit Graben- oder Tr ench- Strukturen ausgestaltet werden. Die Kombination der vorstehend beschriebenen Strukturen mit Hetero-Junction-Dioden (HJD) sind besonders für den Einsatz in Gleichrichtern für Generatoren in Kraftfahrzeugen geeignet.
Für die Halbleiterschichten der Hetero-Junction-Dioden (HJD) können auch andere Materialien als SI und Ge verwendet werden. Insbesondere sind dies unterschiedlichen Materialien aus der Gruppe der III/V- Verbindungen. Dann ist beispielsweise eine Schicht aus Silizium (Si) und eine Schicht weist beispielsweise statt Silizium-Germanium (SiGe) eine Silizium-Kohlenstoff (SiC)- Verbindung auf.

Claims

Ansprüche
1. Halbleitereinrichtung, die eine Hetero-Junction-Diode (HJD) umfasst, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien besteht und bei der die Dotierung der Halbleitermaterialien unterschiedlich ausgeführt ist.
2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Halbleitermaterialien wenigstens zwei Schichten bilden und j eine Schicht aus Silizium-Germanium (SiGe) und eine aus Silizium (Si) besteht.
3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Germanium Anteil der Silizium-Germanium (SiGe) Schicht weniger als 40 % beträgt.
4. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der einzelnen Schichten und/oder die Dotierungen der einzelnen Schichten so gewählt sind, dass die Flussspannung und/oder der Sperrstrom eine vorgebbare Größe aufweist.
5. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hetero-Junction-Diode (HJD) mit einer Randstruktur, insbesondere einem Guardring, oder einer Feldplatte umgeben ist.
6. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten auch aus anderen Materialien als Silizium-Germanium (SiGe) und Silizium (Si) gefertigt sind, insbesondere aus Materialien aus der Gruppe der II W- Verbindungen oder dass Silizium-Kohlenstoff anstatt Silizium-Germanium
(SiGe) verwendet wird.
7. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hetero-Junction-Diode zusätzliche Strukturen wie Schottky- Kontakte, pn-Übergänge und Grabenstrukturen umfasst.
8. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hetero-Junction-Diode für Temperaturen von mehr als 2000C geeignet ist.
9. Gleichrichteranordnung, insbesondere für einen Generator in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass Halbleitereinrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingesetzt werden.
10. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Hetero- Junction-Dioden zusammen mit Zenerdioden geschaltet sind, insbesondere in einer
Parallelschaltung.
11. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dass Hetero- Junction-Dioden zusammen mit Zenerdioden geschaltet sind, insbesondere in einer Reihenschaltung.
12. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dass Hetero- Junction-Dioden zusammen mit Zenerdioden und/oder Schottkydioden und/oder Feldplatten und/oder Trenchstrukturen geschaltet sind.
13. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine planare Anordnung oder eine Trench- Anordnung vorhanden ist.
14. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hetero- Junction-Dioden zusätzlich weitere pn-Übergänge integriert haben, die den Wert der
Durchbruchspannung bestimmen.
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