NO115782B - - Google Patents

Description

Halvleder-likeretterelement for sterkstrøm.

Oppfinnelsen angår et halvleder-likeretterelement som er bestemt for sterkstrøm og har et monokrystalinsk flatt silisiumlegeme som om-fatter et første ytre skikt av én ledningstype og et annet ytre skikt av motsatt ledningstype, begge med doteringskonsentrasjoner høyere enn IO<17>cm—<3>, og mellom disse skikt to indre skikt med lavere doteringskonsentrasjoner, nemlig et før-ste innerskikt av samme ledningstype som det tilgrensende første ytterskikt og et annet innerskikt av samme ledningstype som det tilgrensende annet ytterskikt, samt mellom de to innerskikt en pn-overgang. Halvlederelementet ifølge oppfinnelsen erkarakterisert vedat det første innerskikt er dotert tilnærmelsesvis jevnt og samtidig flere tierpotenser svakere enn det tilgrensede ytterskikt og at doteringskonsentrasjonen i det annet innerskikt er flere, særlig en til fire tierpotenser, lavere i naboskapet av pn-overgangen enn i naboskapet av det ytterskikt som grenser til det. Derved muliggjøres en bedring av virkemåten og en økning av driftssikkerheten resp. av den til-ladelige spenningspåkjenning, for så vidt som f. eks. faren for en lokale steil stigning av sper-restrømmen som ved lavinemessige gjennom-brudd kunne ødelegge likeretterelementet, kan nedsettes, så et slikt lavinegjennombrudd, om det skulle finne sted, vil utstrekke seg over hele halvleder-tverrsnittet som står til rådighet for en øket sperrestrøm, og avvikle seg med mest mulig jevn fordeling av strømmen over hele arealet av dette tverrsnitt. Takket være en slik ytterst jevnt fordelt påkjenning på tversnitts-arealet blir belastningsevnen i sperreretningen øket. Ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kommer man dette mål særlig nær ved at doteringskonsentrasjonen i det ytterskikt som ligger nærmest pn-overgangen, har et til å begynne med eksponensielt stigende forløp med tiltagende avstand fra pn-overgangen. Ytter ligere forbedringer blir'gjort mulige ved de for-holdsregler og trekk som vil bli beskrevet i det følgende, som fastlegning av et bestemt konsentrasjonsprofil av det først betraktede skikt, valg av 'de spesifike motstandsverdier og tilmåling av tykkelsene av de forskjellige skikt av halvleder-legemet, resp. av deres delavsnitt. I den forbindelse lykkes det å avpasse de bestemmende stør-relser slik i forhold til hverandre at der oppnås optimale gjennomslipnings- og sperrever-dier. Nærmere enkeltheter vil bli beskrevet og belyst i forbindelse med et utførelseseksempel, som er vist skjematisk på tegningen sammen med tilhørende diagrammer. Fig. 1 viser tverrsnittsprofilet av et likeretterelement. Fig. 2 anskueliggjør en rekkefølge av halv-lederskikt i planet for et snitt gjennom halvleder-elementets akse. Fig. 3 viser forløpet av doteringskonsentrasjonen i de enkelte skikt. Denne figur må ses i sammenheng med fig. 2, og det er antatt at det jevnt doterte skikt er av n-ledende type. Fig. 4 viser parametre, bestemt eksperimen-telt og ved beregning, for halvleder-likeretter-elementets maksimale sperreevne i avhengighet av den spesifikke motstand av det n-ledende midtskikt.

På fig. 1 betegner 2 den ikke modifiserte, jevnt doterte kjerne av en f. eks. n-ledende ski-veformet silisiummonokrystall som har en spesifikk motstand mellom 50 og 150 Ohm cm, tog hvis opprinnelige tverrsnittsform er antydet ved de stiplede kompletteringslinjer. Ved allsidig inndiffusjon av akseptorer, fortrinnsvis av aluminium og eventuelt gallium ved len kjent me-tode, ble ledningskarakteren av et ca. 60 til 100 \ i tykt skikt 3 omdannet til p-type, så der etter nedarbeidelsen av idette diffunderte p-skikt fra den ene flateside samt fjernelse av randen av halvlederskiven ved hjelp av sandstråle og/eller etsning er dannet en pn-struktur. Akseptorene kan imidlertid også være inndiffundert bare fra én side i en silisiumskive som er tynnere med en forskjell lik tykkelsen av p-skiktet, ved en me-tode, ble ledningskarakteren av et ca. 60 til 100 ^ teknikk. I dette tilfelle spares nedarbeidelsen etter diffusjonen.

Nedarbeidelsen behøver heller ikke hvis der ved andre metoder, som er kjent under beteg-nelsen epitaxi, er påført ytterligere silisium monokrystallinsk på den ene side av en skivefor-met monokrystallinsk silisiumkjerne 2 av n-type. Derved blir silisiumkjernen fortykket med skiktet 3. Slike metoder, som f. eks. utskillelse av silisium ved pyrolytisk spaltning av en gassfor-met silisiumforbindelse, eksempelvis SiHCL, eller SiCl, under medvirkning av en bærer- og reak-sjonsgass, f. eks. H2, eller monokrystallinsk utskillelse av silisium ved pådampning eller ka-todeforstøvning og samtidig delvis fjernelse av påført silisium, gjør det mulig ved vilkårlig en-dring av de tilsatte mengdeandeler av doterings-materiale under prosessen å oppnå et vilkårlig forløp av konsentrasjonsverdiene gjennom skive-tverrsnittet.

Et ytre skikt ved det utførelseseksempel som er vist på fig. 1, er frembragt ved innlegering

av et metall, fortrinnsvis aluminium, som inneholder akseptorer. F. eks. blir silisiumskiven etter å være forsynt med et pålagt alummiumfolie som dekker hele flatsiden, varmet opp til over den eutektiske temperatur. Etter avkjøling er der fremkommet et høyt dodert p-ledende rekrystallisasjonsskikt 6, som dekkes a.v et skikt 7 som tjener som kontaktelektrode og består av et aluminium-silisium-eutektikum. Videre kan der fordelaktig i samme operasjon som den nevnte legeringsprosess, være pålegert kontaktelek-troden 7 en molybdenskive 8, som rager utenfor kanten av silisiumskiven og på forhånd kan være overtrukket med et aluminiumsskikt som er på-ført elektrolyttisk og er innbrent ved opphet-ning til ca. 900° C.

På silisiumskivens n-ledende side, hom. er blottlagt ved nedarbeidelsen, er der frembragt et ytre, høyt dotert n-ledende skikt 5 som bare opptar et midtre delområde av halvledetrflaten. Dette er gjort ved tilsvarende innlegering av et metall som inneholder donatorer. Fordelaktig anvendes hertil et gullfolie med et antimoninn-hold på ca. 1 %. Formen og tykkelsen av det parti av gull-silisiumlegering som er stivnet etter underskridelse av den eutektiske temperatur, er etter fullstendig innlegering av gullfolie entydig bestemt ved dettes opprinnelige form og tykkelse. Gull-foliet kan være valgt i form av en sirkelflate med ca. 4 mm mindre diameter enn den n-ledende silisiumkjerne. Også rekrystalli-sasjonsskiktet 5 og den av gull-silisiumlegering bestående kontaktelektrode 4 er følgelig sirkel-formede og omgitt av en ca. 2 mm bred ring av det opprinnelige n-ledende silisium. Tykkelsen av gull-foliet kan være omtrent 90 ^. På kon-taktelektroden 4 er der f. eks. ved trykkontakt, lodding eller pålegering, anbragt en molybdenskive 10, som rager maksimalt 1 mm og fortrinnsvis 0,2 og 0,5 mm utenfor kontaktelektro-den, så den dekker hele gull-elektroden, men allikevel har tilstrekkelig avstand fra ytterkan-ten av pn-overgangen til at spenningsoverslag blir unngått. Randen av silisiumskiven er be-skyttet med et lakkskikt 9, fortrinnsvis alizarin-lakk.

For pn-overgangens sperreevne er valget av gradienten av doteringskonsentrasjonen i det tilgrensende p-doterte innerskikt viktig. For det er bl. a. bestemmende for høyden av sammen-bruddspenningen. Ved gitt verdi av den spesifike motstand f. eks. av et innledende innerskikt er sammenbrudd-spenningen desto større jo flat-ere doteringsgradienten er i den tilgrensende del av det p-ledende område. Derfor består en ytterligere gunstig utførelsesform i at doteringskonsentrasjonen i det p-ledende innerskikt stiger eksponensielt med tiltagende avstand fra pn-overgangen i nærheten av denne, samtidig som utgangsverdien helst kan være omtrent lik kon-sentrasjonsverdien i det n-ledende innerskikt. Man har gode erfaringer med et forløp hvor den strekning hvor doteringskonsentrasjonen stiger med faktoren e = 2,7, utgjør 7—13 fortrinnsvis 10 (a. For samtidig å unngå at den tykkelse av det p-ledende innerskikt som behøves for stigningen av doteringskonsentrasjonen til den ønskede høye iverdi, blir for stor og dermed øker gjennomslipningsspenningen i uheldig grad, kan man la stigningen av doteringskonsentrasjonen i det p-ledende innerskikt i større avstand fra pn-overgangen forløpe steilere enn etter den tidligere nevnte eksponensial-funksjon. Man kan da kmbinere en forholdsvis flat gradient i nærheten av pn-overgangen med en forholdsvis liten skikttykkelse. Å fremstille et slikt konsentra-sjons-forløp som stiger steilere utover, er også mulig med diffusjons-metoden, skjønt denne mulighet er bundet til den naturgitte lovmessig-het av diffusjonen i motsetning til utskillelses-metoden, hvormed det som tidligere nevnt er mulig å fremstille et hvilket som helst ønsket konsentrasjonsprofil. Ved passende variasjon av diffusjonsparametrene og ved anvendelse av flere doteringssubstanser med innbyrdes forskjellige diffusjonskonstanter er det mulig å påvirke konsentrasjonsforløpet. Som fig. 3 viser, er det ønskede konsentrasjonsprofil i det p-ledende innerskikt i utførelseseksempelet oppnådd ved et passende valg av diffusjonsparametrene og ved inndiffusjon av gallium og aluminium. Aluminiumet bestemmer konsentra-sjonsforløpet i nærheten av pn-overgangen, gal-liumet konsentrasjonsforløpet i området for den steilere stigning.

Ytterligere muligheter for forbedringer er betinget ved valget av konsentrasjonsverdiene i de ytre områder i eksempelet med legeringen med aluminium resp. gull-antimon. I gjennom-slipningstilstanden tjener disse som kildeområder hvorfra de mellomliggende innerskikt får tilført ladningsbærere av begge polariteter. Derfor ville for lave doteringskonsentrasjoner i de nevnte kildeområder føre til mangelfull tilførsel og, som videre følge herav, til uheldig høy gjen-nomslipningsspenning. Av denne grunn blir doteringskonsentrasjonen i ytterskiktene for det meste valgt høyere enn IO<17>, og for eksempel lik 10<1>S til 101!) cm-3. For fremstilling av høyere kon-sentrasjonsverdier i de to ytre områder er de kjente legeringsmetoder særlig godt egnet. De ble derfor anvendt ved utførelseseksemplet som angitt ovenfor.

Den høye dotering av de ovennevnte kildeområder er imidlertid ikke i seg selv alene nok til å gi en tilstrekkelig lav gjennomslipningsspen-ning, men ladningsbærerne må takket være sin diffusjonslengde være i stand til å fylle hele det midtre område mellom de to kildeområder tilnærmelsesvis jevnt. Dette kan oppnås ved at tykkelsen av dette midtre område har en verdi mindre enn omtrent det fire-dobbelte og fortrinnsvis lik omtrent det dobbelte av diffusjonslengden L ved for sterke injeksjoner, f. eks. ved en strøm-tetthet i området 10 til 200 A/cm-. En større tykkelse ville føre til uheldig høye verdier av gjennomslipningsspenningen, mens en mindre ville nedsette sperreevnen merkbart, da man enten måtte minske tykkelsen av p-skiktet, alt-så velge en steilere konsentrasjonsgradient i nærheten av pn-overgangen, eller også måtte gjøre tykkelsen av n-skiktet for liten. Denne er imidlertid i sin tur viktig for den oppnåelige sperreevne, noe som kan innses ved betraktning av fig. 4.

På fig. 4 er sammenbrudd-spenningen for

en diffundert pn-overgang oppført i avhengighet av den spesifike motstand av det anvendte n-ledende silisium. Denne kurve gjelder for dif-fusjonsprofilet av den ovenfor beskrevne gallium-aluminiumdif fusjon, hvor pn-overgangen ligger i en bybde av ca. 60 til 100 u under silisium-overflaten. Videre viser figuren.for forskjellige tykkelser av det n-ledende innerskikt punch-through-spenningene, som — påtrykt i sperreretningen — bevirker at romladningssonene grenser til legeringsfrontene. Sperreevnen av likerettere blir riktignok ikke begrenset av punch-through-spenningene hvis den legerte overgang mellom det svake n-ledende innerskikt og det legerte n-skikt er upåklagelig. Hvis det imidlertid lykkes å dimensjonere likeretteren slik at man unngår punch-through, så er man fullstendig uavhengig av kvaliteten av denne legerte overgang. Likeretterens spereegenskaper er da bare bestemt ved en pn-overgang av den beskrevne art med tilgrensende flatt og eksponensielt stigende forløp av doteringskonsentrasjonen.

Med en slik pn-overgang blir der oppnådd en stor evne til å motstå støtbelastning i sperreretningen, nemlig, som'det fremgår av fig. 4, desto mer fullkomment jo nærmere den spesifike motstand av det svakt doterte n-ledende innerskikt er den samme over hele tverrsnittet. For et lavinegjennombrudd ville ved tiltagende spen-ning først sette inn på et slikt sted av tverrsnittet som har en særlig lav verdi av den spesifike motstand. Derfor velger man fordelaktig som ut-gangsmateriale for fabrikasjonen et silisium hvor de lokale avvikelser av den spesifike motstand fra gjennomsnittsverdien i vedkommende tverrsnitt høyst utgjør 10 %.

Som det videre kan utledes av fig. 4, er sperreevnen desto høyere jo større man velger tykkelsen Wn av det n-løpende innerskikt. Der er imidlertid liten nytte i å gå utover 250 u, da det ellers med de for tiden disponible metoder ikke lenger ville være mulig å overholde den betin-gelse iat tykkelsen av det midtre område som ved strømgjennomgang i gjennomslipningsretningen fylles med ladningsbærere, ikke skal overskride det firedobbelte av diffusjonslengden L ved sterke injeksjoner.

Som allerede beskrevet utgjør tykkelsen av det diffunderte innerskikt ca. 60 til 100 Denne tykkelse behøves for et flatt diffusjonsprofil. En del av dette skikt, ca. 30j.ier nedbygget og om-krystallisert ved innlegeringen av det materiale som inneholder akseptorer, f. eks. aluminium-foliet. Da romladningssonen ved diffunderte pn-overganger også brer seg ut i det diffunderte område, bør legeringsfrontens avstand fra den diffunderte overgang så vidt mulig utgjøre 30 til 70 |_i for at man skal unngå faren for at uregel-messigheter i legeringsflaten influerer på sper-reegenskapene. Hvis man av de nevnte grunner ikke vil overskride en samlet tykkelse av ca. 320 |i mellom kildeområdets legeringsfronter, så blir der tilbake en tykkelse Wn = 150 til 250 ^ for det svakt doterte n-skikt. Som det fremgår av fig. 4, er det ved disse skikttykkelser særlig gunstig å velge en spesifik motstand av den n-ledende kjerne på 50 til. 150 Ohm cm for å opp nå en høy sperreevne, idet sperreevnen, men i noen grad også gjennomslipningsspenningen, stiger med økende skikttykkelse og voksende spesifik motstand.

På den ovenfor beskrevne måte kan man oppnå maksimale sperrespenninger for likerettere på over 2000 V. Da skikttykkelsene og do-teringskonsentrasjonene er tilmålt slik at romladningssonen hverken støter opp til legerings-grensen på aluminiumssiden eller til legerings-grensen på gull-antimon-siden er en bestemt sperreevne sikkert fastlagt ved den ved hjelp av diffusjonen tilveiebragte pn-overgang. Derimot kan ufullkommenheter i legeringsfrontene ikke influere på sperreevnen. Man får derfor i produk-sjonen et høyt utbytte av gode likerettere.

Ved å anvende to molybdenskiver som begge dekker hele den virksomme elektrodeflate, er det ikke bare mulig å oppnå en god varmebortføring i varig drift til en vilkårlig side eller ved behov også til begge !,sider, men også at kortvarige over-hetninger ved støtbelastninger, særlig slike som opptrer i sperreretningen, blir mildnet i vidt-gående grad ved utnyttelse av molybdenskivenes varmekapasitet.

Utførelseseksempelet er først og fremst beskrevet under den forutsetning at skiktstruktu-rens kjerne dannes av et n-ledende innerskikt som er dotert jevnt og svakere enn alle øvrige skikt, at der til denne kjerne på den ene side støter et p-ledende innerskikt hvis doteringskonsentrasjon stiger med tiltagende avstand fra kjerneskiktet, og at der til hvert innerskikt grenser et høyt dotert ytterskikt med samme type av ledningsevne. Etter de samme regler er det imidlertid også mulig for tilfellet av ombyttede ledningsevnetyper p og n å velge de bestemmende størrelser for likeretterelementet under hensyn-tagen til de kjente material-konstanter og å avpasse dem etter hverandre på den beskrevne måte.

De trekk, arbeidsprosesser og anvisninger som kan utledes av den foregående beskrivelse og/eller den tilhørende tegning, blir for så vidt de ikke er tidligere kjent, å betrakte som verdi-fulle forbedringer med oppfinnelseskarakter, både betraktet enkeltvis og i de her for første gang angitte kombinasjoner.

Claims (16)

1. Halvleder-likeretterelement for sterk-strøm, omfattende et monokrystallinsk, flatt sili-ciumlegeme som har et første ytre skikt (5) av gitt ledningstype og et annet ytre skikt (6) av motsatt ledningstype, begge med doteringskonsentrasjoner høyere enn 10 <17> cm- <3> , og mellom disse skikt to innerskikt (2, 3) med lavere doteringskonsentrasjoner, nemlig et første innerskikt (2) av samme ledningstype som det tilgrensende første ytterskikt (5) og et annet innerskikt (3) av samme ledningstype som det tilgrensende annet ytterskikt (6), samt mellom de to innerskikt (2, 3) en pn-overgang, karakterisert ved at det første innerskikt (2) er dotert i det minste tilnærmelsesvis jevnt og flere tierpotenser svakere enn det tilgrensende ytterskikt (5), og at doteringskonsentrasjonen i

det annet innerskikt (3) er flere, særlig én til fire, tierpotenser lavere i naboskapet av pn-overgangen enn i naboskapet av det ytterskikt (6) som grenser til det.

2. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at motstanden av det første innerskikt (2) i sin flateutstrekning lodd-rett på sin tykkelse ikke oppviser lokale avvikelser på mere enn ± 10 % av sin gjennomsnittlige motstandsverdi.

3. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at doteringskonsentrasjonen i det annet innerskikt (3) har et for-løp som med tiltagende avstand fra pn-overgangen til å begynne med stiger eksponensielt.

4. Likeretterelement som angitt i krav 3, karakterisert ved at lengden av den strekning over hvilken doteringskonsentrasjon stiger med faktoren e — 2,7 , utgjør 7 til 13 |.i, fortrinnsvis 10 ia.

5. Likeretterelement som angitt i krav 3, karakterisert ved at bredden av det annet innerskikt (3) utgjør 30 til 70[ i, fortrinnsvis 50 ii.

6. Likeretterelement som angitt i krav 5, karakterisert ved at tykkelsen av det midtre område som består av de to innerskikt (2, 3), er mindre enn omtrent det firedobbelte og fortrinnsvis omtrent lik det dobbelte av diffusjonslengden L ved strømtettheter på 10—200 A/cm2.

7. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at doteringskonsentrasjonen i det første ytterskikt (5) har en verdi av ca, 10' <8> til 1019 cm-3 .

8. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at doteringskonsentrasjonen i det annet ytterskikt (6) utgjør omtrent 101 S cm-3.

9. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at det første innerskikt (2) består av n-ledende silicium med en spesifikk motstand mellom 50 og 150 Ohm cm og er 150 til 250^ tykt.

10. Likeretterelement som angitt i krav 9, karakterisert ved at det annet innerskikt (3) inneholder aluminium som doterings-substans i nærheten av pn-overgangen.

11. Likeretterelement som angitt i krav 10, karakterisert ved at det annet innerskikt (3) inneholder gallium som doteringssub-stans i området for det steilere konsentrasjons-forløp.

12. Likeretterelement som angitt i krav 7 og 9, karakterisert ved at det første ytterskikt (5) har et rekrystallisasjonsskikt dannet ved innlegering av en donatorsubstans, særlig — som i og for seg kjent — et antimonholdig gullfolie.

13. Likeretterelement som angitt i krav 8 og 9, karakterisert ved at det annet ytterskikt (6) består av et rekrystallisasjonsskikt frembragt ved innlegering av en akseptorsub-stans, særlig — som i og for seg kjent — et aluminiumfolie.

14. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at det annet ytterskikt (6) utstrekker seg over hele den ene flat side av siliciumlegemet, mens det ovenforliggen-de første ytterskikt (5) bare opptar et sentralt parti ved den annen flatside og levner pn ca. 2 mm bred rand av siliciumlegemet helt rundt.

15. Likeretterelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at hvert av de to ytterskikt (5, 6) som i og for seg kjent er dekket av en molybdenskive (10, resp. 7).

16. Likeretterelement som angitt i krav 14, karakterisert ved at det første ytterskikt (5) er dekket av en imolybdenskive (10) som rager 0,2 til 0,5 mm utenfor dets rand.