DE1246886B

DE1246886B - Verfahren zur Stabilisierung und Verbesserung der Sperreigenschaften von Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE1246886B
Application number: DE1960S0069712
Authority: DE
Inventors: Dr Horst Irmler; Winfried Schierz
Original assignee: ELEKTRONIK MBH; Semikron GmbH and Co KG
Current assignee: ELEKTRONIK MBH; Semikron GmbH and Co KG
Priority date: 1960-07-30
Filing date: 1960-07-30
Publication date: 1967-08-10

Description

Verfahren zur Stabilisierung und Verbesserung der Sperreigenschaften von Halbleiterbauelementen Die an ein Halbleiterbauelement mit mindestens einem pn-übergang, insbesondere an einen Halbleitergleichrichter in Sperrichtung angelegte Spannung ruft auf beiden Seiten des pn-Übergangs eine von Ladungsträgem entblößte Raumladungszone hervor, die mit dem pn-übergang an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt, und deren Ausdehnung mit von der angelegten Spannung abhängig ist.
Die Sperrfähigkeit des Halbleiterbauelements wird nun sehr wesentlich von der Beschaffenheit des der Raumladungszone zugeordneten Bereichs der Halbleiteroberfläche bestimmt. Sowohl die das Halbleitermaterial umgebende Atmosphäre als auch das Halbleitennaterial einhüllende Fremdstoffe können die Oberfläche chemisch oder physikalisch verändern. lonisierte Fremdatome können auf dem der Raumladungszone zugeordneten Bereich der Halbleiteroberfläche eine Verringerung der Durchbruchsspannung und damit eine Verschlechterung des Sperrvermögens des Halbleiterbauelements herbeiführen. Solche auf der Halbleiteroberfläche befindlichen Ladungsträger stellen einen niederohmigen Parallelwiderstand zum hochohmigen Sperrwiderstand des Halbleitermaterials dar und bewirken eine unerwünschte Erhöhung des Sperrstroms. Diese angeführten nachteiligen Einflüsse auf die Halbleiteroberfläche führen in vielen Fällen zu Spannungsüberschlägen und zur Zerstörung des Halbleiterbauelements.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bekannt, die Oberfläche des Halbleitermaterials insbesondere in der Umgebung des pn-übergangs nach dem Atzen mit einem Kunststoff- bzw. Lacküberzug abzudecken. Hierfür eignen sich Lacke, die einen hohen Isolationswiderstand besitzen und auch bei den beim Einsatz im Halbleiterbauelement auftretenden hohen Betriebstemperaturen (bei Silizium-Halbleitergleichrichtern bis zu 200' Q keine nachteiligen Änderungen erfahren.
Zu diesem Zwecke sind Siliconlacke vorgeschlagen worden, jedoch zeigen mit einem Siliconlack abgedeckte Silizium-Gleichrichter nach einer gewissen Betriebsdauer in unterschiedlicher Weise eine Zunahme des Sperrstroms. Es tritt, wie Versuche gezeigt haben, insbesondere dann eine erhebliche Verschlechterung der Sperrfähigkeit des Halbleiterbauelements ein, wenn die auf dem vorbestimmten Oberflächenbereich des Halbleitennaterials aufgebrachte Siliconlackschicht bei Temperaturen von ungefähr 200' C eingebrannt wird. Diese Verschlechterung der Sperrfähigkeit wird auf den insbesondere bei diesen Temperaturen ungünstigen Einfluß von Sauerstoff auf die Halbleiteroberfläche zurückgeführt. Es ist bekannt, daß Siliconlacke noch eine relativ hohe Diffusion des Sauerstoffs zulassen.
Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, dem Siliconlack zum Schutz der Halbleiteroberfläche gegen atmosphärische Einflüsse, insbesondere zum Schutz gegen Feuchtigkeit, Füllstoffe mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und/oder mit einem hohen Diploment, beispielsweise Bariumtitanat, zur Verminderung des am pn-übergang bei elektrischer Belastung des Halbleiterbauelements auftretenden elektrischen Feldes beizugeben.
Nach einem anderen Lösungsvorschlag wird dem Isolierlack feinverteiltes fasriges oder blätterförrniges Isoliermaterial hinzugefügt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese vorgeschlagenen Füllstoffe für den Isolierlack zwar schädliche Einflüsse der das Halbleitermaterial umgebenden Atmosphäre vermindern bzw. vermeiden, daß jedoch die auf der Halbleiteroberfläche befindlichen ionisierten Fremdstoffe weiterhin eine Verschlechterung des Sperrvermögens des Halbleiterbauelements bewirken können.
Schließlich wurde mehrfach vorgeschlagen, zur Erhöhung der Ableitung der beim Einsatz im Halbleitermaterial entstehenden Verlustleistungswärme dem Isolierlack gut wärmeleitende Füllstoffe, beispielsweise Titandioxyd beizugeben.
Gegenüber den bekannten Lösungen zur Stabilisierung und zur Verbesserung des Sperrverhaltens von Halbleiterbauelementen werden bei dem Verfahren nach der Erfindung dem Isolierlack stark oberflächenaktive Füllstoffe beigegeben, die durch ihre hohe Adsorptionsfähigkeit sowohl den Zutritt der das Halbleitermaterial umgebenden Atmosphäre und damit die Diff-usion von Fremdstoffen durch den Schutzlack wesentlich vermindern als auch den störenden Einfluß von auf der Halbleiteroberfläche befindlichen unerwünschten Fremdstoffen durch adsorbtive Bindung derselben beseitigen.
Demzufolge betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stabilisierung und Verbesserung der Sperreigenschaften von Halbleiterbauelementen aus Element-oder Verbindungs-Halbleitern mit mindestens einem pn-übergang, bei dem zumindest die Halbleiteroberfläche in der Umgebung des pn-Übergangs mit einem Isolierlackfiberzug versehen wird, der feinverteiltes, elektrisch isolierendes Material insbesondere hoher Dielektrizitätskonstante und/oder hohen Dipolmoments enthält. Sie besteht darin, daß als Isolierlack ein an sich bekannter Siliconlack verwendet wird, daß dem Isolierlack als Füllstoff stark adsorbierende Metall- und/oder Halbleiteroxyde beiaegeben werden und daß der den oder die Füllstoffe enthaltende Isolierlack in einer oder mehreren Schichten aufgebracht und eingebrannt wird.
Insbesondere hat sich oberflächenaktives Titandioxyd und/oder Zirkondioxyd zur Lösung der gestellten Aufgabe als besonders vorteilhaft erwiesen. Es kann auch oberflächenaktives Aluminiumoxyd verwendet werden, welches zusätzlich noch den Vorteil einer guten Ableitung der im Halbleiterbauelement entstehenden Verlustleistungswärme zeigt. Auch Siliziumoxyd eignet sich in vorteilhafter Weise zur Verwendung als Füllstoff. Die Menge der dem Isolierlack beigegebenen Füllstoffe soll vorzugsweise 5 bis 40 Gewichtsprozent betragen.
Das Auftragen der Lackschicht kann in an sich bekannter Weise durch Aufsprühen (Spritzen), Aufstreichen oder im Tauchverfahren erfolgen. Es können hierbei Schichten mit mehreren Füllsubstanzen oder mehrere Schichten mit verschiedener Füllsubstanz oder mit Mischungen mehrerer Füllsubstanzen aufgetragen werden.
So kann beispielsweise dem Siliconlack eine Mischung von Aluminiumoxyd und Titandioxyd zugesetzt werden. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß zuerst eine im wesentlichen Titandioxyd enthaltende Lackschicht und darüber eine im wesentlichen Aluminiumoxyd enthaltende Lackschicht aufgetragen wird, wobei hier zusätzlich die Eigenschaft des Aluminiumoxyds, Feuchtigkeit aufzunehmen, ausgenutzt werden kann.
Durch diese Füllstoffe wird nicht nur die Durchlässigkeit des Siliconlacks für Fremdstoffe, beispielsweise für Sauerstoff, erheblich vermindert, sondern diese Fremdstoffe werden durch chemische Bindung direkt adsorbiert.
Silizium-Gleichrichter, welche mit einem oberflächenaktiven Titandioxyd enthaltenden Siliconlack abgedeckt wurden, zeigten nach dem Einbrennen des Lackes bei 200' C durchweg auch bei einer an das Halbleiterbauelement angelegten Sperrspannung von 1500 V keinen Anstieg des Sperrstroms. Diese Gleichrichter bieten außerdem, wie Versuche gezeigt haben, die Gewähr für über längere Betriebsdauer stabiles Sperrvermögen.
Diese Verbesserung der Gleichrichter-Eigenschaften wird sowohl bei der Verwendung eines Halbleitermaterials vom n-Typ als auch bei Verwendung von p-leitendem Halbleitermaterial erzielt, und zwar mit ein und demselben Füllstoff. Das Auftreten von Spannungsüberschlägen auf der Halbleiteroberfläche wurde durch die Verwendung von Isolierlacken g#-mäß der Erfindung wesentlich vermindert. Versuche haben ergeben, daß solche Spannungsüberschläge außerhalb des Halbleiters, aber innerhalb des Siliconlackes noch auftraten, wenn der Isolierlack keinen Füllstoff gemäß der Erfindung enthält.
Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich nicht nur zur Anwendung bei Silizium- oder Germanium-Gleichrichtern, sondern auch für Halbleiterbauelemente anderer Art mit einem oder mehreren pn-übergängen, beispielsweise für Transistoren, Fototransistoren u. dgl.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Stabilisierung und Verbesserung der Sperreigenschaften von Halbleiterbauelementen aus Element- oder Verbindungs-Halb# leitern mit mindestens einem pn-übergang, bei dem zumindest die Halbleiteroberfläche in der Umgebung des pn-übergangs mit einem Isolierlacküberzug versehen wird, der feinverteiltes elektrisch isolierendes Material insbesondere hoher Dielektrizitätskonstante und hohen Dipolmoments enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierlack ein an sich bekannter Siliconlack verwendet wird, daß dem Isolierlack als Füllstoff stark adsorbierende Metall- und/oder Halbleiteroxyde beigegeben werden und daß der den oder die Füllstoffe enthaltende Isolierlack in einer oder mehreren Schichten aufgebracht und eingebrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Isolierlack stark adsorbierendes Titandioxyd und/oder Zirkondioxyd beigegeben wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Isolierlack eine Mischung aus stark adsorbierendem Titandioxyd und Aluminiumdioxyd beigegeben wird. 4. VerfaÜren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Isolierlack Siliziumoxyd beigegeben wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der dem Isolierlack zugegebenen stark adsorbierenden Füllstoffe 5 bis 40 Gewichtsprozent beträgt. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftragen des Isolierlackes in zwei oder mehreren Schichten jeder Schicht ein oder mehrere, der genannten Füllstoffe in gleichem oder unterschiedlichem Mengenverhältnis beigegeben werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1054 585, 1012 378, 1078 238, 1000 115; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1734 291; USA.-Patentschrift Nr. 2 857 560.