DE19804580A1 - Leistungshalbleiterdiode - Google Patents
LeistungshalbleiterdiodeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode, die
in Schaltungen, in denen hohe Spannungen und Ströme auftre
ten, eingesetzt werden kann.
Ein Ziel bei der Entwicklung moderner Schaltungen ist die
Verminderung der Anzahl erforderlicher Schaltungskomponenten
wie z. B. Kondensatoren oder Widerstände. Insbesondere wird
versucht, Schutzbeschaltungen zu reduzieren, was zu erhöhten
Belastungen der Bauelemente führt. An die Belastbarkeit die
ser Bauelemente mit starkem Strom- oder Spannungsanstieg oder
-abfall sind daher erhöhte Anforderungen zu stellen. Bei
schnellen Abschaltvorgängen kann es bei Leistungsdioden zum
dynamischen Avalanche kommen. Hervorgerufen wird dieser Ef
fekt durch Löcher (Defektelektronen), die durch die Raumla
dungszone, die sich am pn-Übergang bildet, zur Anode hin
fließen. Diese Ladungsträger wirken bei hinreichend großen
Stromdichten wie eine zusätzliche Dotierung des Halbleiterma
teriales im Bereich der Raumladungszone und können zur Erzeu
gung weiterer Ladungsträger führen (Avalanche-Effekt oder La
wineneffekt). Das erfolgt bei elektrischen Spannungen, die
weit unterhalb der Durchbruchspannung der Diode im stationä
ren Betrieb liegen. Fließt Strom durch ein Bauelement, so
diffundieren Ladungsträger aus dem aktiven Bereich in den
Randbereich des Bauelementes. Wird eine in Durchlaßrichtung
angelegte Spannung abgeschaltet, kann das Abfließen von La
dungsträgern, die aufgrund der Diffusion seitlich des p-
Emitters bzw. des p-Emitter-Kontaktes vorhanden sind, durch
die Anschlußkontakte zu erhöhten Stromdichten im Randbereich
führen. Dort kann das Bauelement zerstört werden, wenn die
Erzeugung von Ladungsträgern infolge des beschriebenen dyna
mischen Avalanche-Effektes zu stark ist. Dieses Problem tritt
vor allem dann auf, wenn der n-Emitter größer oder nur unwe
sentlich (d. h. um ca. die Dicke des Bauelementes) kleiner
ist als der p-Emitter.
In der EP 0 262 356 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung ei
nes pn-Übergangs hoher Spannungsfestigkeit beschrieben, bei
dem der Randbereich eines dotierten Bereiches, der an der
Oberseite eines Halbleiterkörpers ausgebildet ist und dessen
Grenzfläche einen pn-Übergang bildet, der sich am Rand zur
Oberseite des Halbleiterkörpers hin krümmt, nach außen hin
mit einer allmählich abnehmenden Dotierungskonzentration ver
sehen wird. Es wird dazu eine Halbleiterschicht auf der Ober
seite als Dotierstoffquelle verwendet und die Dosis der Ein
diffusion des Dotierstoffes durch mehrere in dieser Halblei
terschicht ausgeätzte Aussparungen unterschiedlicher Breite
nach außen hin zunehmend reduziert.
In der US 5,284,780 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Span
nungsfestigkeit eines Halbleiterbauelements mit mehreren
Schichten alternierender Leitfähigkeitstypen beschrieben. Mit
diesem Verfahren werden bei Thyristoren die Randabschlüsse
eines pn-Überganges mit Elektronen bestrahlt, um die Lebens
dauer der Ladungsträger in diesen Bereichen zu verringern.
Dadurch werden die Stromverstärkung im Randbereich verringert
und die Spannungsfestigkeit des Bauelementes erhöht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte
Leistungsdiode in Halbleitermaterial anzugeben, die für den
Einsatz in Schaltungen geeignet ist, in denen die Diode bis
an die Grenzen der Belastbarkeit betrieben wird.
Diese Aufgabe wird mit der Leistungsdiode mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Leistungsdiode wird ein Randbereich
so modifiziert, daß der dynamische Avalanche-Effekt, der ein
gangs beschrieben wurde, wirkungsvoll unterdrückt oder zumin
dest in seiner Auswirkung begrenzt wird. Die Leistungsdiode
besitzt eine Struktur von dotierten Bereichen mit einem pn-
Übergang in einem Halbleiterkörper. Der pn-Übergang erstreckt
sich quer zur Hauptrichtung des Strompfades, die durch zwei
Bereiche, die für zueinander entgegengesetzte Vorzeichen der
elektrischen Ladung dotiert sind, bestimmt ist. Diese Berei
che sind an zwei einander gegenüberliegenden Oberseiten eines
mit einer Grunddotierung versehenen Halbleiterkörpers ausge
bildet und mit Anschlußkontakten versehen.
Der Strom fließt im Betrieb der Diode im wesentlichen senk
recht zu diesen Oberseiten durch das Halbleitermaterial. An
den Rändern des Strompfades ist die erfindungsgemäße Lei
stungsdiode so beschaffen, daß im Durchlaßzustand der Diode
im Randbereich die Ladungsträgerkonzentration stärker abge
senkt ist als im übrigen Bereich. Daher treten bei Abschalten
eines Stromes in Flußrichtung keine hohen Stromstärken infol
ge abfließender Ladungsträger an den Rändern des Strompfades
auf, insbesondere nicht im Bereich des pn-Überganges unter
halb des Randes des p⁺-Kontaktes.
Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß vermehrt Re
kombinationszentren in den Randbereich eingebracht werden
oder daß die Ladungsträgerinjektion im Betrieb der Diode zum
Rand hin dadurch herabgesetzt wird, daß die Dotierungskonzen
tration eines n⁺-dotierten oder p⁺-dotierten Bereiches, auf
dem ein Kontakt aufgebracht ist, (n-Emitter bzw. p-Emitter)
zum Rand hin abnimmt. Es können diese Mittel auch gemeinsam
vorhanden sein.
Es folgt eine Beschreibung der Leistungsdiode anhand der Fig.
1 bis 5.
Fig. 1 zeigt die Grundstruktur der Diode.
Fig. 2 zeigt eine Diode mit einem Randbereich verminderter
Dotierungshöhe unter einem begrenzten Kontakt.
Fig. 3 zeigt eine Diode mit einem Ranbereich verminderter
Dotierungshöhe unter einem ganzflächigen Kontakt.
Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Dioden
der Fig. 1 bis 3.
Fig. 5 zeigt eine Diode mit einer Mesa.
Die nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 beschriebenen Aus
führungsformen der Leistungsdiode sind nur als konkrete Bei
spiele zu verstehen. Anhand dieser Beispiele soll das Wesent
liche der Erfindung erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine Leistungsdiode im Querschnitt. Ein Halb
leiterkörper 1 weist eine Grunddotierung auf, die in diesem
Fall aus einer niedrigen Dotierungskonzentration für n⁻-
Leitfähigkeit besteht. In diesem Halbleiterkörper sind an
einander gegenüberliegenden Oberseiten ein hoch p⁺-leitend
dotierter Bereich 2 und ein hoch n⁺-leitend dotierter Bereich
3 ausgebildet. In diesem Beispiel bildet der p⁺-leitend do
tierte Bereich 2 mit dem Bereich der Grunddotierung den pn-
Übergang und ist lateral begrenzt. Der pn-Übergang 11 kann in
der Mitte planparallel zur Oberseite des Halbleiterkörpers
verlaufen und seitlich zu dieser Oberseite hin gekrümmt sein
oder nicht lateral begrenzt sein, was in der Fig. 1 durch
die gestrichelte Linie angedeutet ist. Kontakte 5, 6 für
elektrischen Anschluß sind auf den äußeren Oberflächen dieser
Bereiche 2, 3 aufgebracht. Diese Kontakte sind vorzugsweise
aus Metall. Die Vorzeichen der Dotierungen sind in den Figu
ren nur als Beispiel angegeben und können vertauscht sein.
Der Stromfluß ist seitlich begrenzt, bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 1 durch den seitlich begrenzten Kontakt 5. Durch
die Anordnung der dotierten Bereiche 2, 3 ist eine Hauptrich
tung 4 für den Strompfad im Betrieb des Bauelementes be
stimmt. Diese Hauptrichtung 4 ist hier in der Flußrichtung
der Elektronen eingezeichnet.
Im mittleren Bereich 7 der Diode ist der Stromfluß in etwa
homogen, was durch die parallelen Pfeile angedeutet ist. Wenn
die Diode abgeschaltet wird, fließen in dem äußeren Bereich 8
die Ladungsträger zu dem Kontakt 5 hin ab, was in einer er
höhten Stromdichte resultierte, falls nicht erfindungsgemäß
für eine geringe Ladungsträgerdichte in diesem Bereich ge
sorgt wäre.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Konzentra
tion an Rekombinationszentren in dem äußeren Bereich 8 gegen
über den mittleren Bereich 7 der Diode erhöht. Diese Rekombi
nationszentren sind dafür vorgesehen, die Rekombination der
im Betrieb des Bauelementes in den seitlichen Bereichen, ins
besondere einer entstehenden Raumladungszone, erzeugten La
dungsträger zu ermöglichen. Der äußere Bereich 8 ist zu die
sem Zweck modifiziert, was z. B. durch eine Bestrahlung mit
hochenergetischen Teilchen oder durch Einbringen von Schwer
metallatomen bewirkt sein kann. Bei der Herstellung werden
die nicht zu modifizierenden Anteile des Halbleiterkörpers
mit Masken abgedeckt.
Als hochenergetische Teilchen können z. B. Elektronen, Proto
nen oder Helium eingestrahlt werden. Die Maskierung ist so
auszuführen, daß nur in dem äußeren Bereich des Bauelementes
die Strahlung ungehindert auf das Halbleitermaterial auf
trifft. Die Maske zur Abdeckung des zentralen Bereichs kann
z. B. eine Metallmaske, zum Beispiel aus einer ca. 2 cm dic
ken Scheibe aus gewöhnlichem Stahl, Wolfram, Eisen, Molybdän,
Blei, aber auch aus Silizium sein. Bei Bestrahlung mit Elek
tronen wird bevorzugt eine Elektronenenergie zwischen 1 MeV
und 16 MeV, typisch etwa 5 MeV, und eine Elektronendichte
zwischen 1013 und 1015 Elektronen/cm2 gewählt. Durch die Be
strahlung werden in dem Halbleitermaterial Zentren erzeugt,
die als Rekombinationszentren für die Ladungsträger wirken
und daher im Betrieb des Bauelementes die Ladungsträgerkon
zentration verringern.
Alternativ zu der Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen
können z. B. durch maskierte Implantation oder maskierte Dif
fusion Schwermetallatome in den äußeren Bereich 8 des Bauele
mentes eingebracht werden. Der äußere Bereich 8 enthält bei
diesem Ausführungsbeispiel eine bestimmte erhöhte Konzentra
tion an Schwermetallatomen als Rekombinationszentren. Solche
Schwermetallatome können z. B. Goldatome oder Platinatome
sein.
Die Lebensdauer der Ladungsträger in dem äußeren Bereich 8
kann beispielsweise auch durch Bestrahlen mit Gammastrahlen
modifiziert werden, wobei infolge der zusätzlich erzeugten
Energieniveaus im Atomgitter des Halbleitermateriales die Re
kombinationsrate erhöht wird und somit Speicherladungen
schneller entfernt werden, womit beispielsweise die Freiwer
dezeit der Diode verkürzt wird. Dazu wird z. B. über dem
Randbereich eine Maske angeordnet, in der durch Elektronenbe
strahlung eine Gammastrahlung als Bremsstrahlung erzeugt
wird. Um eine geeignete Dosis von Gammastrahlen, beispiels
weise 1012 cm2, zu erhalten, werden das Material und/oder die
Dicke der Bestrahlungsmaske in entsprechender Weise gewählt.
Hierfür können z. B. Bestrahlungsmasken aus einer 1 bis 2 cm
dicken Stahl- oder Molybdänscheibe verwandt werden. Da die
Elektronenbestrahlung normalerweise ganzflächig durchgeführt
wird und ebenfalls zur Einstellung der Trägerlebensdauer ver
wendet wird, muß der Innenbereich der Diode so abgedeckt wer
den, daß weder Elektronen noch Gammastrahlung in nennenswer
ter Menge dort ankommen. Dies kann z. B. durch dicke Metall
masken oder effektiver durch eine sogenannte Sandwich-Maske
erreicht werden, die oben z. B. aus Silizium zum Abfangen der
Elektronen und darunter z. B. aus Blei zum Abfangen der
Gammastrahlung besteht.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird eine geringere
Ladungsträgerkonzentration im äußeren Bereich dadurch er
reicht, daß am Rand des Strompfades der dotierte Bereich 2
eine niedrigere Dotierungskonzentration aufweist. Das wird
z. B. durch die in der Fig. 2 eingezeichneten Bereiche 12
niedrigerer Dotierungskonzentration (in dem Beispiel p⁻) er
reicht. Statt einer einstufigen kann eine mehrstufige oder
eine stetige Abnahme der Dotierungskonzentration in dem Be
reich 2 nach außen hin vorhanden sein. Die Ladungsträgerkon
zentration im Betrieb der Diode nimmt dann nach außen hin so
ab, daß auch bei homogener Verteilung von Rekombinationszen
tren der dynamische Avalanche-Effekt beim Abschalten der
Spannung in Flußrichtung nicht oder nur in geringem Umfang
auftritt. Zusätzlich kann die Dichte der Rekombinationszen
tren durch Eindiffusion oder Bestrahlung wie oben beschrieben
nach außen hin erhöht sein.
Die angegebene Struktur läßt sich z. B. in der Weise reali
sieren, daß ein Implantations- oder Diffusionsprozeß für die
Dotierung des Bereiches 2 in einen mit einer Grunddotierung
versehenen Halbleiterkörper durchgeführt wird. Die Temperatur
und die Diffusionszeit werden der gewünschten Abmessung des
zentralen p⁺-Bereiches 2 unter Berücksichtigung der Diffusi
onskonstante des Dotierstoffes angepaßt. Die Eindringtiefe
des Dotierstoffes kann z. B. durch die Dauer des Temperpro
zesses eingestellt werden. Die unterschiedliche Dotierungs
konzentration in den Bereichen 2 und 12 kann durch unter
schiedliche Dosierung des Dotierstoffes, vorzugsweise unter
Verwendung einer Maske, erzeugt werden. Die nach außen hin
abnehmende Dotierungskonzentration kann auch mit einem Ver
fahren hergestellt werden, wie es in den eingangs zitierten
Patenten beschrieben ist.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Halbleiterkör
per z. B. pyramidenstumpfförmig oder kegelstumpfförmig. Der
Kontakt 5 auf der kleineren Grundseite ist seitlich so be
grenzt, daß er diese Grundseite nicht vollständig bedeckt.
Zwischen dem Kontakt 5 und den Kanten 9 des auf dieser Seite
stumpfwinkligen Halbleiterkörpers kann ein für Leistungshalb
leiterbauelemente üblicher Randabschluß, z. B. ein weiterer
niedrig dotierter Bereich, vorhanden sein. Statt dessen kann
der Kontakt 5 die kleinere Grundseite vollständig bedecken.
Der pn-Übergang 11 ist dann eben. Der Halbleiterkörper kann
auch zylindrisch oder quaderförmig sein.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der dotierte
Bereich 3, der ganzflächig mit einem Kontakt 6 versehen ist,
zum Rand der Diode hin niedriger dotiert ist. Der niedriger
dotierte äußere Bereich 13 bewirkt eine geringere Stromdichte
in dem äußeren Bereich 8 der Diode. Die niedriger dotierten
Randbereiche bei der erfindungsgemäßen Leistungsdiode können
daher lateral innerhalb des Halbleiterkörpers begrenzt oder
unbegrenzt sein oder unter einem lateral begrenzten oder un
begrenzten Kontakt vorhanden sein. Es kann ein üblicher
Randabschluß des pn-Überganges 11 z. B. in Gestalt des ge
strichelt eingezeichneten p⁻-dotierten Bereiches im Anschluß
an den Bereich 2 vorhanden sein.
Die beiden Kontakte 5, 6 können so begrenzt sein, daß sie die
betreffende Oberseite des Halbleiterkörpers nicht ganz bedec
ken, wie in dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Auch bei dieser Ausführung können einzeln oder in Verbindung
miteinander Rekombinationszentren oder niedriger dotierte la
terale Bereiche unter einem oder beiden Kontakten zur Absen
kung der Ladungsträgerinjektion in den seitlichen Bereich 8
(Bereich 12 bzw. Bereich 13 mit gestrichelt eingezeichneter
Begrenzung) vorhanden sein. Es kann auch hier der in Fig. 3
mit einer gestrichelten Linie dargestellte p⁻-dotierte Be
reich als Randabschluß des pn-Überganges vorhanden sein. Ein
solcher Randabschluß kann Teil des niedrig dotierten Berei
ches 12 zur Reduktion der Stromdichte am Rand des Strompfades
sein.
Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel der Fig. 5 mit einem
alternativen Randabschluß ist der Kontakt 5 auf eine Mesa 14
aufgebracht, zu der der Halbleiterkörper auf einer Oberseite
z. B. durch seitliches Ausätzen verjüngt ist. Zusätzlich zu
der oberen Kante 9 der Mesa 14 bildet der Halbleiterkörper an
dieser Oberseite bis zur Kante 19 eine weitere Oberfläche,
die den eigentlichen Rand bildet. Als Beispiel ist hier der
niedriger dotierte Bereich 12 mit gestrichelter Begrenzung
eingezeichnet. Auch bei der Ausführungsform mit Mesa kann
entsprechend den Fig. 3 und 4 der Kontakt 6 auf der gegen
überliegenden Oberseite begrenzt sein oder auf einem seitlich
niedriger dotierten Bereich aufgebracht sein. Die Merkmale
der beschriebenen Ausführungsbeispiele können miteinander
kombiniert werden.
Claims (8)
1. Leistungsdiode in Halbleitermaterial,
- - bei der in einem Halbleiterkörper (1) mit einer Grunddotie rung für elektrische Leitfähigkeit an einander gegenüber liegenden Oberseiten zwei Bereiche (2, 3) vorhanden sind, die für elektrische Leitfähigkeit zueinander entgegenge setzter Vorzeichen dotiert sind,
- - bei der diese Bereiche mit Kontakten (5, 6) für elektri schen Anschluß versehen sind und
- - bei der durch eine Verringerung der Konzentration von Do tierstoff und/oder eine Erhöhung der Konzentration von Re kombinationszentren im äußeren Bereich (8) eines für einen Stromfluß vorgesehenen Bereiches (7, 8) bewirkt ist, daß im Betrieb der Leistungsdiode eine Ladungsträgerkonzentration in diesem äußeren Bereich (8) gegenüber einer ansonsten gleichartigen Struktur vermindert ist.
2. Leistungsdiode nach Anspruch 1,
bei der die Konzentration von Rekombinationszentren in dem
äußeren Bereich (8) durch Bestrahlung mit hochenergetischen
Teilchen und/oder mit Gammastrahlen erhöht ist.
3. Leistungsdiode nach Anspruch 1,
bei der die Konzentration von Rekombinationszentren in dem
äußeren Bereich (8) durch Einbringen von Schwermetallatomen
erhöht ist.
4. Leistungsdiode nach Anspruch 1,
bei der die Konzentration von Dotierstoff in einem dotierten
Bereich (2; 3), auf dem ein Kontakt (5; 6) aufgebracht ist,
in einem von dem Kontakt bedeckten Anteil (12; 13) am Rand
des Kontaktes geringer ist als in einem restlichen von dem
Kontakt bedeckten Anteil.
5. Leistungsdiode nach Anspruch 4,
bei der der betreffende Kontakt (5) auf dem dotierten Bereich
(2) mit zur Grunddotierung des Halbleiterkörpers entgegenge
setztem Vorzeichen der Leitfähigkeit aufgebracht ist und Ab
messungen aufweist, die in der betreffenden Oberseite des
Halbleiterkörpers in jeder Richtung höchstens um eine Dicke
der Leistungsdiode größer sind als die jeweils entsprechende
Abmessung des auf dem n-leitend dotierten Bereich (3) aufge
brachten Kontaktes (6).
6. Leistungsdiode nach Anspruch 4,
bei der der betreffende Kontakt (5) auf dem dotierten Bereich
(2) mit zur Grunddotierung des Halbleiterkörpers entgegenge
setztem Vorzeichen der Leitfähigkeit aufgebracht ist,
bei der der Halbleiterkörper (1) verschieden große Oberseiten
aufweist, auf denen die Kontakte (5, 6) aufgebracht sind, und
bei der der Kontakt (6), der auf dem dotierten Bereich (3)
mit zur Grunddotierung des Halbleiterkörpers gleichem Vorzei
chen der Leitfähigkeit aufgebracht ist, die größere Oberseite
des Halbleiterkörpers bedeckt.
7. Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
bei der die Konzentration von Dotierstoff des betreffenden
dotierten Bereiches (2; 3) stetig zu dem Anteil am Rand des
betreffenden Kontaktes (5; 6) hin abnimmt.
8. Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
bei der die Konzentration von Dotierstoff in beiden dotierten
Bereichen (2, 3), auf denen Kontakte (5, 6) aufgebracht sind,
jeweils in einem von dem zugehörigen Kontakt bedeckten Anteil
(12, 13) am Rand dieses Kontaktes geringer ist als in einem
restlichen von dem Kontakt bedeckten Anteil des betreffenden
dotierten Bereiches.
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