DE1916555A1

DE1916555A1 - Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1916555A1
Application number: DE19691916555
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl-Metr Schaefer
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG
Priority date: 1969-04-01
Filing date: 1969-04-01
Publication date: 1971-03-04
Also published as: US3673468A; FR2042219A5; GB1310435A

Description

SEMIKRON Ges. f. Gleichriehterbau u. Elektronik mbH.

8500 Nürnberg , Wiesentalstraße kO Telefon O9II/33OI4I, 331813 - Telex 06/22155

Datumj 26, März I969 Unser Zeichens I II6903

Halbleiter - Gleichrichter

Anordnung und Verfahren

zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung mit wenigstens zwei, in einem Körper aus halbleitendem Material gebildeten, jeweils einen pn-tibergang aufweisenden, unsymmetrisch leitenden Systemen, die an ihren zur Kontaktierung vorgesehenen Flächen über metallische Leiterbahnen zu einer Gleichrichterschaltung verbunden sind.

Der ständig steigende Bedarf an Halbleiter-Bauelementen zur Rationalisierung und Automatisierung von Anlagen, Geräten und Verfahren erfordert auch bei Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen sowohl für die Leistungselektronik als auch für Miniatur-Schaltkreise immer vorteilhaftere Ausführungsformen.

Bei Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen bekannter Ausführung ist wenigstens eine Halbleitertablette mit elektrisch und mechanisch geeigneten metallischen Bauteilen, deren Bauform sowie Herstellung und Verarbeitung meist sehr aufwendig ist, in einem entsprechenden Gehäuse angeordnet. Solche Anordnungen müssen zur Erzielung von Gleichrichterschaltungen häufig in spezieller Weise zusammengebaut und umständlich verschaltet werden.

Bekannte HaJ/bleiter-Gleichrichter-Anordnungen in Kunststoffgehäuse, deren Aufbau die gleichzeitige Herstellung einer größe-

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ren Anzahl ermöglicht, werden besonderen Anforderungen an Hau-' größe Lind/oder Wirtschaftlichkeit nicht in allen Fällen gerecht.

Weiterhin sind Halbleiter-Batielemente in sogenannter Planarausführung bekannt, die zwar bezüglich ihrer Ausdehnungen vorteilhaft sind, jedoch hinsichtlich ihrer elektrischen Kennwerte gewisse Einschränkungen zeigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus zwei oder mehr Halbleiter-Bauelementen bestehende Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung zu erzielen, bei der die Einzelelemente in einfacher und wirtschaftlicher Weise gegenseitig räumlich und scbaLtungs— mäßig zvigeordnet und elektrisch verbunden sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß überraschend vorteilhaft dadurch gelöst, daß ein, einen pn-übergang aufweisender Halbleiterkörper durch wenigstens eine Aussparung vorbestimmter Tiefe, die den Halbleiterkörper von vorbestimmten Kontaktflächen aus senkrecht zur Fläche seines pn-Übergangs und durch diesen hindurch durchsetzt, in wenigstens zwei Systeme unterteilt ist, die auf der, der oder den Aussparungen gegenüberliegenden Kontaktfläche eine gemeinsame Leiterbahn und auf den durch die Aus spa rung (en) unterteilten Kontaktflächen einen kontakt fälligen metallischen Überzug aufweisen.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen, bei dem ein vorbereiteter Halbleiterkörper auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit wenigstens einen pn-ttbergang bildenden Leitfähigkeitszonen und weiterhin mit einem metallischen Kontaktüberzug versehen wird.

Daö Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß mittels bekannter Diffusions- und Maskentechnik auf jeder Seite gleichlaufende und aneinandergrenzende Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, beidseitig in Verlauf und Ausdehnung übereinstimmend und in der Zonenfolge versetzt, erzielt werden und

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jede Zonenfolge mit einem Kontaktüberzug versehen wird, daß der aus neben- und übereinanderliegenden Leitfähigkeitszonen und beiderseitigen IContaktüberzügen bestehende Sohiehtenaufbau mittels bekannter Photoätztechnik durch schlitzförmige Aussparungen vorbestimmter Ausdehnung von einer Seite aus in mit deren Zonen übereinstimmende und von der gegenüberliegenden Seite aus in zu deren Zonen quer und zur Gegenseite überlappend verlau- . fende Abschnitte unterteilt wird, so daß streifenförmige, rasterförmig angeordnete Leiterbahnen erzielt werden, und daß durch geeignete Ausbildung und Anordnung von Ätzmasken der Schichtenaufbau in Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen beliebiger Schaltung zertrennt wird.

Anhand der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Anordnungen und Ausführungsbeispiele werden Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

Figur 1a zeigt das Schaltungssymbol für eine Halbleiter-Gleiche richter-Anordnung in Einphasen-Brückenschaltung in räumlicher Darstellung und in Figur 1b ist diese Darstellung schematisch und auf blockförmige Einzelelemente entsprechend dem Aufbau von dotierten Halbleiterkörpern spezifiziert. Die Figuren 2 und 3 zeigen perspektivisch als Baustein geeignete Formen von Halbleiterkörpern zur Erzielung von Anordnungen gemäß Figur 1b. In Figur h ist, ebenfalls perspektivisch, ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgeraäßen Gegenstandes ohne Umhüllung und Stromleitungsanschlüsse und in Figur 5 im Querschnitt eine vorbereitete Halbleiterscheibe zur Herstellung von Halbleiter-Anordnungen gemäß der Erfindung aufgezeigt.

Ordnet man beim Symbol eines Gleichrichterelements der die Spitze abdeckenden Platte p-Leitfähigkeit und der Grundfläche η-Leitfähigkeit zu, so bilden in der, aus zwei parallelen Zweigen mit je zwei in Reihe geschalteten, p-n-Schichtenfolge aufweisenden Gleichrichterelementen bestehenden Anordnung gemäß Figur 1a die beiden räumlich in gleiche Richtung weisenden

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!Einzelelemente 1 und 2 einen gemeinsamen p-Anschluß 7 und die beiden weiteren, gegenseitig gleichsinnig und zu den ersten entgegengesetzt angeordneten Einzelelemente 3 und h einen gemeinsamen n-Anschruß 8. Jeweils zwei, gegenseitig in entgegengesetzte Richtung weisende Einzelelemente 1 und 3 bzw. 2 und h sind an ihrer freien Elektrode unterschiedlicher Leitfähigkeit zu einem gemeinsamen Wechselanschluß 5 bzw. 6 verbunden. Die Anordnung der Einzelelemente zeigt einerseits zwei jeweils durch zwei in gleiche Richtung weisende Elemente und einen Gleichstrom anschluß gebildete Ebenen und andererseits,im rechten Winkel dazu, zwei jeweils durch zwei gegenseitig in entgegengesetzte Rich- W tung weisende Elemente und einen Wechselstromanschluß gebildete Ebenen. Aus diesem grundlegenden Aufbau ergibt sich, bei spezieller Zuordnung von axis halbleitendem Material mit pn-Schich— tenfolge bestehenden Körpern als Einzelelementen, die Anordnung gemäß Figur 1b, wobei die zwischen den Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeit befindlichen Grenzschichten (pn-Übergänge) ebenfalls dargestellt sind. Sind die Verbindungen 5 und 6 bzw. 7 xmd 8 als streif en f'örmige, metallische Leiterteile ausgebildet, so liegt eine funktionsfähige Halbleiter-Gleichrichter— Anordnung entsprechend dem Schema in Figur 1a vor,

Aus der Darstellung in Figur 1b ist ersichtlich, daß jeweils k die beiden, in gleicher Richtung weisenden Elemente 1 und 2 bzw. 3 und h mit ihrem dem gemeinsamen Anschluß 7 bzw, 8 zugeordneten Leitfähigkeitsbereich zusammengefügt und auf der zur Ausbildung des Anschlusses vorgesehenen Fläche über einen metallischen Überzug verbunden sein können. Eine solche Elementenreihe ist in Figur 2 aufgezeigt. Ein Halbleiterkörper besteht aus zwei übereinander angeordneten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. Jeweils im Abstand der unterbrochenen Linien 1,11,III und senkrecht zur Längsachse des Halbleiterkörper verlaufende, schlitzförmige Aussparungen 15 erstrecken sich von der Unteren Fläche der η-Zone bis über den durchgehenden pn—Übergang ttnd trennen den Halbleiterkörpei^ in die Einzelelemente H₉S und 1» ;nit freiliegendem pn-übergang 9»10 und 9*» die on ihrer p-Zone einseitig mechanisch und elektrisch vei'lninden sind und auf der zur Kontaktierung vorgesehenen, gemeinsamen Oberfläche oi.no

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durchgehende, metallische Leiterbahn 7 als p-Anschluß aufweisen.

Die Anzahl der bedarfsweise zueinander parallel verlatif enden Aussparungen bestimmt die Anzahl der getrennten pn-Systeme.

Wird eine solche Elementenreihe nach jedem zweiten Element ganz durchgetrennt, so ist beispielsweise eine aus den Elementen 1 und· 2 mit den pn—Übergängen 9 und 10 bestehende Baueinheit als die eine Hälfte und, durch sinnvolle, seitenverkehrte Anordnung von Aussparungen 15 tind Leiterbahn 8 eine entsprechende Baueinheit als die andere Hälfte des Aufbaues gemäß Figur 1b gegeben.

Betrachtet man in Figur 1b jeweils die beiden, gleiche Schichtenfolge aufweisenden Einzelelemente 1 und 2 bzw. 3 und h als ein System, so ergibt sich die Anordnung gemäß Figur 3 dadurch, daß die beiden Systeme durch Parallelverschiebung zu einem, eine horizontale pn-Übergangsfläche und eine,diese durchsetzende, vertikale pn-Übergangsflache aufweisenden Aufbau zusammengefügt sind. Der Halbleiterkörper kann aus zwei oder mehr, in einer Ebene liegenden, abwechselnd entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisenden Systemen bestehen. Auf jeder Seite des Halbleiterkörpers sind die, abwechselnd entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisenden Zonen gleichlaufend, bedarfsweise zueinander parallel angeordnet, und jede Zone bildet mit den ihr benachbarten Zonen jeweils einen pn-übergang.

Durch geeignete, quer zu den Zonen und vorzugsweise zueinander parallel verlaufende. Aussparungen 15 auf einer Seite des Halbleiterkörpers, die gemäß der Anordnung in Figur 2 in den durch die unterbrochenen Linien I und II bestimmten Ebenen A und B angebracht sind,und den Halbleiterkörper ganz durchsetzen, sind Elementereihen gegeben, die jeweils einer Kombination der Einzelelemente 1 und 3 bzw. 2 und k gemäß Figur 1b entsprechen und die pn-t}bergänge 9 und 11 bzw, 10 (verdeckt) und 12 aufweisen, Eine weitere schlitzförmige Aussparung 16, die auf der anderen Seite des Halbleiterkörpers parallel zu den Zonen und. in der Ebene der senkrechten pn-übergangsfläche angeordnet ist und die horizontale pn-tfbergangsflache durchsetzt, schneidet die dazu

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rechtwinkligen Aussparungen 15 und trennt die beiden Systeme bis auf einen senkrechten, den pn-übergang 13 aufweisenden Steg. Die beiden Systeme weisen jeweils auf ihrer, zu der Aussparung 16 parallelen, oberen Kontaktfläche eine metallische Leiterbahn 7 bzw. 8 auf. Die dazu rechtwinklig angeordneten, jeweils beiden Systemen zugeordneten und durch die Aussparungen 15 gebildeten, streifenförmigen Flächenabschnitte auf der gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers weisen jeweils eine metallische Leiterbahn 5 bzw. 6 auf. Durch völliges Auftrennen längs der Ebene B in Figur 3 ist eine Anordnung gegeben, die in ihrem Aufbau und in ihrer elektrischen Funktion mit der in Figur 1b dargestellten übereinstimmt, wobei die verbleibenden Abschnitte 13 und lh (verdeckt) der vertikalen pn-ttbergangsf lache durch die Leiterbahnen 5 und 6 kurzgeschlossen sind.

In Figur k ist zur Veranschaulichung des besonders vorteilhaften Aufbaues des Gegenstandes der Erfindung eine solche Anordnung perspektivisch stark vergrößert aufgezeigt. Die schraffierten Flächen stellen die wirksamen pn-Übergangsflachen 9 bis 12 der Einzelelemente und die beiden kurzgeschlossenen pn-Übergänge 13 und 14 zwischen den Systemen dar. Die in zwei sich schneidenden Ebenen verlaufenden Aussparungen 15 und 16 trennen den Ausgangskörper mechanisch so weit in vier Einzelelemente 1 bis 4, daß deren vorbestimmte elektrische Funktion, und, über die verbleibenden Zwischenstege und die metallischen Leiterbahnen, auch die ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet ist. Die Ausdehnungen der Einzelelemente, der Leiterbahnen tind der Aussparungen bestimmen die elektrische Belastbarkeit der Anordnung.

Zur Herstellung erfindungsgemäßer Halbleiter-Anordnungen wird eine Scheibe aus halbleitendem Material, beispielsweise aus Silizium, mittels an sich bekannter Oxydations-, Photoätz- und Diffusionsprozesse auf beiden Flächen mit streifenförmigen und zueinander parallelen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. in der Weise versehen, daß die Zonen beider Flächen in ihrem Verlauf und in ihr.en Ausdehnungen übereinstimmen,

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lind daß jede Zone sowohl mit der auf der gleichen Fläche als auch mit der auf der gegenüberliegenden Fläche benachbarten Zone einen pn-t*bergang bildet, wie dies in Figur 5 dargestellt ist. Anschließend werden beide dotierten Flächen vollständig mit einen geeigneten metallischen Überzug versehen, beispielsweise mit einer oder mehreren ITi ekel schach ten, und danach mit einer zur Fhrzielung der schlitzförmigen Aussparungen 15 und 16 entsprechend ausgebildeten Xtzmaske abgedeckt. In dem anschließenden Xtzprozeß werden durch Bildung von Aussparungen 16 von der oberen Scheibenfläche her die senkrechten pn-Übergänge der oberen Zonenfolge beseitigt rind gleichzeitig Leiterbahnen 7 und 8 gebildet. Durch Ätzen bis in die untere Zonenfolge werden streifenförniige Halbleiterkörper senkrecht zur Darstellungsebene erzielt, welche einen gleichförmigen, dux"chgehenden Schichten— aufbau mit abwechselnd entgegengesetzter Schichtenfolge aufweisen. Dazu rechtwinklig werden gleichzeitig von der unteren Fläche her Aussparungen 15 (Figur h) ausgebildet, welche zueinander parallel und bis in die obere Zonenfolge verlaufen und die streifenförmigen Halbleiterkörper in funktionsfähige Einzelelemente unterteilen, wobei je nach Schichtenaufbau der wirksame pn-übergang abwechselnd an der unteren (11) und an der oberen Zonenfolge (9} freigelegt wird. Im Schnittbereich der Aussparungen 15»16 wird der Halbleiter—Ausgangskörper vollständig durchgeätzt. Die Xtzmasken können so ausgebildet sein, daß der Halbleiterkörper in den durch die Aussparungen 15 und 16 vorgegebenen Trennebenen nach jedem zweiten Einzelelement ganz durchge— ätzt wird, entsprechend den unterbrochenen Linien I und II, und Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen gemäß Figur k erzielt werden.

Je nach der geforderten Strombelastbarkeit der gewünschten Anordnung ist aus einer vorgegebenen Halbleiterscheibe eine größere Anzahl von Kleingleichrichter-Anordnungen oder aber nur eine einzige großflächige Anordnung erzielbar. Bezüglich der Bestimmungsgrößen für. das Halbleiter-Atisgangsmaterial gelten die bei der Herstellung der Leiterbahnen bekannten Überlegungen. Die Herstellung der Leiterbahnen kann nach an sich bekannten Verfahren erfolgen. Die Weiterverarbeitung erfindungsgemäßer

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Anordnungen zu anschlußfertigen, bedarfsweise gekapselten Bauelementen kann in vielfältiger, an sich bekannter Weise durchgeführt werden.

Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die aufgezeigten
Ausführungsbeispiele beschränkt. Aus den Figuren 2,3 und 5 ist zu entnehmen, daß durch geeignete Ausbildung und Anordnung der Ätzmasken in gleich vorteilhafter Weise Halbleiter-Gleichrichter-Anordnttngen in allen geläufigen Schaltungen erzielt werden können. Das Trennen kann auch durch Ultraschallbohren oder mit tels geeigneter Sägeeinrichtungen erfolgen.

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Claims

SEMIKRON Ges. f. Gleichrichterbau "u. Elektronik mbH. 85OO Nürnberg, Wiesentalstraße kO Telefon 0911/330141, 331813 - Telex 06/22155 Datum: 26. März I969 Unser Zeichen: I II6903 Patent - Ansprüche

1.y Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung mit wenigstens zwei, in einem Körper aus halbleitendem Material gebildeten, jeweils einen pn-übergang aufweisenden, unsymmetrisch leitenden Systemen, die an ihren zur Kontaktierung vorgesehenen Flächen über metallische Leiterbahnen zu einer Gleichrichterschaltung verbunden sind, dadurch gekenn zeichnet , daß der einen pn—tibergang aufweisende Halbleiterkörper durch wenigstens eine Aussparung vorbestimmter Tiefe, die den Halbleiterkörper von vorbestimmten Kontaktflächen aus senkrecht zur Fläche seines pn-Übergangs und durch diesen hindurch durchsetzt, in wenigstens zwei Systeme unterteilt ist, die auf der, der oder den Aussparungen gegenüberliegenden Kontaktfläche eine gemeinsame Leiterbahn und atif den durch die Aussparung(en) unterteilten Kontaktflächen einen kontaktfähigen metallischen Überzug aufweisen,

2. Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit einer die Anzahl der getrennten pn-Systeme bestimmenden Anzahl von bedarfsweise zueinander parallel verlaufenden Aussparungen versehen ist.

3. Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus zwei oder mehr in einer Ebene liegenden, abwechselnd entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisenden Systemen besteht, daß auf jeder Seite des Halbleiterkörper die abwechselnd entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisenden Zonen gleichlaufend, bedarfsweise zueinander

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parallel angeordnet sind, daß jede Zone mit den ihr benachbarten Zonen jeweils einen pn-übergang bildet, daß der Halbleiterkörper auf der einen Seite mit wenigstens einer, parallel zu den Zonen verlaufenden, dieselben voneinander trennenden Aussparung und auf der anderen Seite mit wenigstens einer, quer zu den gegebenen Zonen verlaufenden Aussparung versehen ist, und daß die so gebildeten, voneinander getrennten Kontaktflächen auf jeder zur Kontaktierung vorgesehenen Seite des Halb- . leiterkörpers, mit Leiterbahnen versehen, zur Ausbildung gewünschter Gleichrichterschaltungen dienen,

4. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Gleichrichter— Anordnungen nach den Ansprüchen 1 bis 3» bei dem ein· vorbereiteter Halbleiterkörper auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit, wenigstens einen pn—Übergang bildenden Leitfähig— keitszonen und weiterhin mit einem metallischen Kontaktüberzug versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels bekannter Diffusions- und Maskentechnik auf jeder Seite gleichlaufende und aneinandergrenzende Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, beidseitig in Verlauf und Ausdehnung übereinstimmend, und in der Zonenfolge versetzt, erzielt werden und jede Zonenfolge mit einem Kontaktüberzug versehen wird, daß der aus neben— und übereinanderliegenden Leitfähigkeitszonen P und beiderseitigen Kontaktüberzügen bestehende Schichtenaufbau mittels bekannter Photoätztechnik durch schlitzförmige Aussparungen vorbestimmter Ausdehnung von einer Seite aus in mit deren Zonen übereinstimmende und von der gegenüberliegenden Seite aus in zu deren Zonen quer und zur Gegenseite überlappend verlaufende Abschnitte unterteilt wird, so daß streifenförmiges rasterförmig angeordnete Leiterbahnen erzielt werden, und daß durch geeignete Ausbildung und Anordnung von Ätzmasken der Schichtenaufbau in Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen beliebiger Schaltung zertrennt wird.

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