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Halbleiter-Bauelement mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, die durch pn-Übergänge voneinander getrennt sind. Derartige Halbleiter-Bauelemente weisen eine Stromcharakteristik auf. Der Laststrom, der durch alle vier Zonen des Elementes fliesst, kann durch einen Zündstrom zwischen einer der beiden mittleren Zonen und der benachbarten äusseren Zone eingeschaltet werden. Das Ausschalten erfolgt im Nulldurchgang des Laststromes.
Für gewöhnlich sind an den beiden äusseren Zonen des Halbleiter-Bauelementes Elektroden zur Zu-und Abfuhr des Laststromes angebracht, während an einer der beiden mittleren Zonen ein sogenannter Basiskontakt für die Zufuhr des Zündstromes angebracht ist. Bei einer starken Erhöhung der an den beiden äusseren Zonen anliegenden Spannung kann das Halbleiter-Vierschicht-Bauelement ohne besonderen Zündstrom durchzünden. Der Wert der Spannung, bei dem dieses Durchzünden auftritt, heisst die Kippspannung. Insbesondere bei den mit einer dritten Zündelektrode versehenen VierschichtHalbleiter-Bauelementen versucht man, diese Kippspannung so stark wie möglich zu erhöhen, da durch sie die Lastspannung des Bauelementes bestimmt wird. Diesem Zweck dient auch die Erfindung.
Die Erfindung betrifft demzufolge ein Halbleiter-Bauelement mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, die durch pn-Übergänge voneinander getrennt sind. Erfindungsgemäss ist der Abstand zwischen den beiden äusseren Zonen von dem mittleren Übergang an der Oberfläche des Halbleiterkörpers mindestens um den Faktor 20 grösser als die Diffusionslänge der Minoritätsträger in jeweils einer Oberflächenschicht der beiden mittleren Zonen des Halbleiterkörpers. Es zeigte sich, dass durch diese Massnahme die Kippspannung erheblich erhöht werden kann, insbesondere bei erhöhten Temperaturen.
Es stellte sich nämlich heraus, dass auch schon bei Raumtemperatur der Sperrstrom, welcher im nichtgezündeten Zustand des Halbleiter-Vierschicht-Elementes fliesst, hauptsächlich an der Oberflache des Halbleiterkörpers fliesst. Dieser Oberflächenstrom kann schon bei niedrigen Spannungen so hohe Werte erreichen, dass ein Durchzünden des Stromtores erfolgt. Man kann also durch eine entsprechende Herabsetzung des Oberflächenstromes das Durchzünden des Bauelemen- tes erheblich verzögern. Dies ist insbesondere bei erhöhten Temperaturen, wie z. B. 100-1500 C, notwendig.
An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. In den Fig. 1 und 2 sind zwei Ausführungsformen von erfindungsgemässaufgebauten Vierschicht-Halbleiter-Bauelementen dargestellt.
Das Vierschicht-Halbleiter-Bauelement gemäss Fig. 1 kann z. B. in folgender Weise hergestellt werden : Ein scheibenförmiger Halbleiterkörper, der z. B. aus n-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 10 bis 100 Ohm cm bestehen kann, welcher einen Durchmesser von 18 mm und eine Dikke von 2501l hat, wird durch Diffusion mit Aluminium mit einer ihn allseitig umschliessenden p-leitenden Zone versehen. Durch Einarbeiten eines ringförmigen Grabens 5 wird diese Zone in die zwei p-leitenden Zonen 4 und 3 aufgeteilt. Das Innere des Halbleiterkörpers bildet die unverändert n-leitend gebliebene Zone 2. Die Eindiffusion des Aluminiums kann beispielsweise so vorgenommen werden, dass mehrere derartige Halbleiterkörper mit einer Aluminiumprobe in eine z. B. aus Quarz bestehende Ampulle einge-
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schmolzen werden, worauf diese Ampulle z.
B. in einem elektrischen Widerstandsofen etwa 60 Stunden lang auf einer Temperatur von 12zoo C gehalten wird. Die Eindringtiefe des eindiffundierten Aluminiums beträgt danach etwa 60-70JL'Die Randkonzentration des Aluminiums beträgt etwa 3 x 1016 cm**.
Der Graben 5 kann beispielsweise eingeätzt werden. Der Halbleiterkörper wird z. B. mit Pizein überi zogen. Danach wird in diese Pizeinschicht ein der Form des Grabens entsprechendes Muster eingeritzt, z. B. eine kreisförmige Spur auf der einen Flachseite der runden Halbleiterscheibe. Danach wird dann das Gan- ze in eine Ätzlösung getaucht, welche nun lediglich an der vom Pizein befreiten Oberfläche des Halb- leiterkörpers angreifen kann. Durch entsprechende Wahl der Ätzdauer lässt sich die Tiefe des Grabens be- messen. Der Graben muss mindestens die aluminiumdotierte Randzone auf seiner ganzen Länge durchstossen.
Seine Tiefe kann also im vorliegenden Beispiel etwa 100fit betragen, seine Breite richtet sich nach der
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mente sind in der Zeichnung vergrössert und in einem der Deutlichkeit halber insbesondere in den Dicken- verhältnissen stark verzerrten Massstab dargestellt.
Der Graben 5 kann auch mechanisch eingearbeitet werden, z. B. durch Einschmirgeln mit Hilfe eines hohlbohrerähnlichen Werkzeuges oder durch Einfräsen.
Durch einen nachfolgenden Legierungsvorgang wird der Halbleiterkörper mit den notwendigen Kontaktelektroden versehen, wobei gleichzeitig die noch fehlende vierte Zone erzeugt wird. Der Halbleiterkörper wird auf eine Aluminiumfolie mit etwa dem gleichen Durchmesser und einer Stärke von etwa 60fit aufgelegt. Auf die mit dem Graben versehene Oberfläche des Halbleiterkörpers wird eine ringscheibenförmige Folie aus Gold-Antimon (zirka 0, 5 Sb) mit einem Innendurchmesser von etwa 4 mm und einem Aussendurchmesser von etwa 11 mm aufgelegt. In die Mitte der Aussparung dieser Ringscherse wird eine Folie aus Bor enthaltendem Gold von etwa 3 mm Durchmesser gelegt. Die Folien können etwa eine Stärke von 40fit haben. Das Ganze wird dann in einem Ofen auf etwa 8000 C erwärmt. Danach ergibt sich das Bild der Fig. 1.
Die Zone 3 ist mit einer Kontaktelektrode 6 kontaktiert, welche aus der einlegierten Aluminiumfolie entstanden ist. Auf der Oberseite des Halbleiter-Bauelementes ist eine weitere Zone 7 vonRingscheibenform entstanden, welche mit Antimon dotiert und demzufolge n-leitend ist. Sie ist durch eine Elektrode 8 kontaktiert, während die Zone 4 eine Kontaktelektrode'9 trägt.
Das Halbleiter-Bauelement gemäss Fig. l weist also einen Vierschichten-Aufbau auf, der aus den Zonen 3, 2, 4 und f besteht, welche. in der Reihenfolge pnpn hintereinander geschaltet sind. Der mittlere pn-Übergang, welcher im nichtgezündeten Zustand des Halbleiter-Bauelementes sperrt, ist der pn-Über- gang zwischen den Zonen 2 und 4. Die Bemessung des Halbleiter-Bauelementes wurde nun gemäss der Erfindung so getroffen, dass der Abstand der beiden äusseren Zonen von diesem mittleren pn-Übergang an der Oberfläche des Halbleiterkörpers mindestens um den Faktor 20 grösser ist als die Diffusionslänge der Minoritätsträger im Halbleitermaterial der beiden mittleren Zonen 4 und 2 an der Oberfläche des Halbleiterkörpers.
Hiebei ist insbesondere der Abstand A an der Oberfläche des Halbleiterkörpers zwischen der Zone 7 und dem zwischen den Zonen 2 und 4 befindlichen pn-Übergang von grosser Wichtigkeit. Dieser Abstand wurde zu etwa 2 mm bemessen (dies ergibt sich aus den Abmessungen der verwendeten GoldAntimon-Folie). Die Diffusionslänge L der Minoritätsträger in diesem Bereich der Halbleiteroberfläche
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Sperrstrom an der Oberfläche erheblich herabgesetzt und damit die Kippspannung und deren Temperaturstabilität wesentlich erhöht.
In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäss aufgebauten Vierschicht-Halbleiter-Bauelementes dargestellt. Der Aufbau ist im wesentlichen der gleiche wie in Fig. 1. Die gleichen Zonen bzw. Elektroden wurden mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das Herstellungsverfahren ist auch im wesentlichen das gleiche. Ein wesentlicher Unterschied besteht lediglich darin, dass zwischen dem Diffusionsvorgang, durch den die p-leitende Randzone erzeugt wird, welche später durch Aufteilung die Zonen 4 und 3 ergibt, und dem Legierungsvorgang ein weiterer Verfahrensschritt eingeschoben wird, durch welchen die Diffusionslänge der Minoritätsträger im Oberflächenbereich der. Zone 4 erheblich ver- mindert wird..
Zu diesem Zweck wird nämlich dieser Oberflächenbereich, welcher in der Fig. 2 mit 4a bezeichnet ist, zusätzlich mit eindiffundiertem Verunreinigungsmaterial überschwemmt. Dies kann-z. B. in folgenderweise durchgeführt werden : Die gesamte Halbleiterscheibe wird an ihrer Oberfläche mit einer Oxydschicht versehen, z. B. durch Oxydation im Wasserdampf bei erhöhter Temperatur. Danach wird eine ringförmige Zone an der Oberfläche des Halbleiterkörpers von dieser Oxydschicht befreit, indem z. B. das Oxyd mit Hilfe eines hohlbohrerähnlichen Werkzeuges mechanisch abgearbeitet wird. Dieser ringförmige Bereich kann etwa 15 mm Innendurchmesser und einen Aussendurchmesser von etwa 17 mm aufweisen.
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Danach wird eine Bordiffusion in ähnlicher Weise wie die Aluminiumdiffusion zur Erzeugung der p-leitenden Randzone vorgenommen. Diese Diffusion dient aber lediglich zur Erzeugung einer hohen Randkonzentration von etwa 1018 bis 1020 cm''. Es genügt eine Erwärmung auf etwa 12800 C von etwa einer Stunde Dauer. Die Eindringtiefe des Bors ist gering (etwa 5-10), und wirkt sich lediglich an der Oberfläche in der gewünschten Weise aus. Die Diffusionslänge der Minoritätsträger in diesem Bereich4a wird auf etwa L = 101l vermindert, und der Abstand A kann demzufolge ebenfalls vermindert werden.
Dies kann zu einer Vergrösserung der n-leitenden Zone 7 und der auf ihr aufliegenden Kontaktelektrode 8 und damit einer erhöhten Stromführungsfähigkeit der Halbleiter-Vierschicht-Anordnung ausgenutzt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleiter-Bauelement mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, die durch pn-Übergänge voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der beiden äusseren Zonen von dem mittleren pn-Übergang an der Oberfläche des Halbleiterkörpers mindestens um den Faktor 20 grösser ist als die Diffusionslänge der Minoritätsträger in jeweils einer Oberflächenschicht der beiden mittleren Zonen des Halbleiterkörpers.
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Semiconductor component with an essentially monocrystalline semiconductor body and four zones of alternating conductivity type The invention relates to a semiconductor component with an essentially monocrystalline semiconductor body and four zones of alternating conductivity type, which are separated from one another by pn junctions. Such semiconductor components have a current characteristic. The load current, which flows through all four zones of the element, can be switched on by an ignition current between one of the two middle zones and the adjacent outer zone. It is switched off when the load current crosses zero.
Usually electrodes for supplying and removing the load current are attached to the two outer zones of the semiconductor component, while a so-called base contact for supplying the ignition current is attached to one of the two middle zones. In the event of a strong increase in the voltage applied to the two outer zones, the semiconductor four-layer component can ignite without a special ignition current. The value of the voltage at which this ignition occurs is called the breakover voltage. In particular in the case of the four-layer semiconductor components provided with a third ignition electrode, attempts are made to increase this breakover voltage as much as possible, since it determines the load voltage of the component. The invention also serves this purpose.
The invention accordingly relates to a semiconductor component with an essentially single-crystal semiconductor body and four zones of alternating conductivity type, which are separated from one another by pn junctions. According to the invention, the distance between the two outer zones from the middle transition on the surface of the semiconductor body is at least 20 times greater than the diffusion length of the minority carriers in a surface layer of each of the two middle zones of the semiconductor body. It was found that this measure can significantly increase the breakover voltage, especially at elevated temperatures.
It turned out that even at room temperature the reverse current, which flows in the non-ignited state of the semiconductor four-layer element, flows mainly on the surface of the semiconductor body. Even at low voltages, this surface current can reach such high values that the current gate is ignited. The ignition of the component can therefore be considerably delayed by a corresponding reduction in the surface current. This is particularly important at elevated temperatures, such as. B. 100-1500 C, necessary.
The invention is to be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments. In FIGS. 1 and 2, two embodiments of four-layer semiconductor components constructed according to the invention are shown.
The four-layer semiconductor component according to FIG. 1 can, for. B. can be produced in the following way: A disc-shaped semiconductor body, the z. B. can consist of n-conductive silicon with a specific resistance of 10 to 100 ohm cm, which has a diameter of 18 mm and a thickness of 2501l, is provided by diffusion with aluminum with a p-conductive zone surrounding it on all sides. By machining an annular trench 5, this zone is divided into the two p-conducting zones 4 and 3. The interior of the semiconductor body forms the unchanged n-conductive zone 2. The diffusion of the aluminum can be carried out, for example, so that several such semiconductor bodies with an aluminum sample in a z. B. an ampoule made of quartz
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are melted, whereupon this ampoule z.
B. is kept in an electric resistance furnace at a temperature of 12zoo C for about 60 hours. The penetration depth of the diffused aluminum is then about 60-70JL 'The edge concentration of the aluminum is about 3 x 1016 cm **.
The trench 5 can be etched in, for example. The semiconductor body is z. B. pulled over with Pizein. Then a pattern corresponding to the shape of the trench is carved into this pizein layer, e.g. B. a circular track on one flat side of the round semiconductor wafer. The whole is then immersed in an etching solution, which can now only attack the surface of the semiconductor body from which the pizein has been removed. The depth of the trench can be measured by appropriate selection of the etching duration. The trench must penetrate at least the aluminum-doped edge zone along its entire length.
In the present example, its depth can be about 100fit, its width depends on the
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Elements are enlarged in the drawing and, for the sake of clarity, are shown on a scale that is heavily distorted, especially in terms of the thickness ratios.
The trench 5 can also be mechanically incorporated, e.g. B. by sanding with the help of a hollow drill-like tool or by milling.
The semiconductor body is provided with the necessary contact electrodes by a subsequent alloying process, with the missing fourth zone being produced at the same time. The semiconductor body is placed on an aluminum foil with approximately the same diameter and a thickness of approximately 60 fits. A ring disk-shaped film made of gold-antimony (approximately 0.5 Sb) with an internal diameter of approximately 4 mm and an external diameter of approximately 11 mm is placed on the surface of the semiconductor body provided with the trench. In the middle of the recess of this ring shear, a foil of gold containing boron and about 3 mm in diameter is placed. The foils can have a thickness of about 40fit. The whole thing is then heated to about 8000 C in an oven. This results in the picture in FIG. 1.
The zone 3 is contacted with a contact electrode 6, which was created from the alloyed aluminum foil. On top of the semiconductor component, a further zone 7 has the shape of an annular disk, which is doped with antimony and is therefore n-conductive. It is contacted by an electrode 8, while the zone 4 carries a contact electrode 9.
The semiconductor component according to FIG. 1 thus has a four-layer structure consisting of zones 3, 2, 4 and f, which. are connected in series in the order pnpn. The middle pn junction, which blocks when the semiconductor component is not ignited, is the pn junction between zones 2 and 4. The dimensioning of the semiconductor component has now been made according to the invention so that the distance between the two outer ones Zones of this central pn-junction on the surface of the semiconductor body is at least 20 times greater than the diffusion length of the minority carriers in the semiconductor material of the two central zones 4 and 2 on the surface of the semiconductor body.
In particular, the distance A on the surface of the semiconductor body between zone 7 and the pn junction located between zones 2 and 4 is of great importance. This distance was measured to be about 2 mm (this results from the dimensions of the gold-antimony foil used). The diffusion length L of the minority carriers in this area of the semiconductor surface
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Reverse current at the surface is significantly reduced and thus the breakover voltage and its temperature stability are significantly increased.
In Fig. 2, another embodiment of a four-layer semiconductor component constructed according to the invention is shown. The structure is essentially the same as in FIG. 1. The same zones or electrodes have been given the same reference numerals. The manufacturing process is also essentially the same. The only essential difference is that a further process step is inserted between the diffusion process, through which the p-conducting edge zone is generated, which later results in zones 4 and 3 through division, and the alloying process, through which the diffusion length of the minority carriers in the surface area of the. Zone 4 is significantly reduced ..
For this purpose, this surface area, which is denoted by 4a in FIG. 2, is additionally flooded with contaminating material that has diffused in. This can-z. B. be carried out in the following way: The entire semiconductor wafer is provided on its surface with an oxide layer, for. B. by oxidation in water vapor at elevated temperature. Thereafter, an annular zone on the surface of the semiconductor body is freed from this oxide layer by z. B. the oxide is worked off mechanically with the help of a tool similar to a hollow drill. This annular area can have an inner diameter of approximately 15 mm and an outer diameter of approximately 17 mm.
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Then a boron diffusion is carried out in a manner similar to aluminum diffusion to produce the p-conducting edge zone. This diffusion only serves to generate a high edge concentration of about 1018 to 1020 cm ''. It is sufficient to heat it to about 12800 C for about an hour. The depth of penetration of the boron is small (approx. 5-10) and only has the desired effect on the surface. The diffusion length of the minority carriers in this region 4a is reduced to approximately L = 101l, and the distance A can accordingly also be reduced.
This can be used to enlarge the n-conductive zone 7 and the contact electrode 8 resting on it and thus to increase the current-carrying capacity of the semiconductor four-layer arrangement.
PATENT CLAIMS:
1. Semiconductor component with an essentially monocrystalline semiconductor body and four zones of alternating conductivity type, which are separated from one another by pn junctions, characterized in that the distance between the two outer zones of the middle pn junction on the surface of the semiconductor body is at least by A factor of 20 is greater than the diffusion length of the minority carriers in each one surface layer of the two middle zones of the semiconductor body.