DE2409395C3

DE2409395C3 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2409395C3
Application number: DE2409395A
Authority: DE
Inventors: Kenji Fujihira; Koichi Takarazuka Kamahara; Kazuhisa Miyashita; Noboru Itami Terao; Jinzo Nishinomiya Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1973-02-27
Filing date: 1974-02-27
Publication date: 1980-06-04
Also published as: DE2409395A1; DE2409395B2; US3925802A

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement mit einem Substrat aus einem Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeitstyps in Form eines Hohlzylinders mit vorbestimmten Querschnittsprofil, mit mindestens einer Halbleiterschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf der Außen- und/oder der Innenumfangsfläche des Substrats, die mit letzterem einen pn-Überzug in Form einer um die Längsachse des Substrats herum gekrümmten Fläche bildet, und mit zwei Metallelektroden in ohmschen Kontakt mit der Außen- bzw. der Innenumfangsfläche des Substrats bzw. der Halbleiterschicht.

Bei herkömmlichen Halbleiterbauelementen ist mindestens ein pn-Übergang in einem flachen Substrat aus einem Halbleitermaterial beispielsweise durch Diffusion von der einen Fläche her oder durch epitaxiales Wachstum darauf ausgebildet. Der resultierende pn-Übergang besitzt normalerweise die Form einer ebenen Fläche und liegt am Außenumfang an der Umfangsfläche des Substrats frei. Wenn die Fläche eines pn-Übergangs zur Erhöhung des Stromaufnahmevermögens des Halbleiterbauelements vergrößert wird, vergrößert sich unweigerlich auch der an der Umfangsfläche des betreffenden Halbleiter-Substrats freiliegende Abschnitt des pn-Überganges. Infolgedessen ist dabei der Oberflächenkriechstrom vergleichsweise hoch, wodurch die Spannung verringert wird, welcher das Halbleiterbauelement zu widerstehen vermag.

Bisher war es für die Herstellung von Halbleiterbauelementen üblich, flache Halbleiterbauelemente und flache Trägerelektroden dafür zu verwenden. Zur Vermeidung einer Beschädigung eines Halbleiterbauelements infolge eines Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Werkstoffen des Halbleiterkörpers und der angrenzenden Elektrode bei der Wärmebehandlung war es bisher erforderlich, für das Halbleiterbauelement und die Elektrode solche Werkstoffe zu verwenden, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sich einander möglichst stark annähern. Bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterbauelement mußte daher die dieses Bauelement tragende Elektrode aus Molybdän oder Wolfram bestehen. Infolge ihrer großen Härte sind diese metallischen Werkstoffe jedoch nicht einfach maschinell zu bearbeiten, und sie können auch nicht immer ohne weiteres Oberflächenbehandlungen, wie Löten bzw. Hartlöten und Plattieren bzw. Galvanisieren, unterworfen werden. Die Struktur der Elektrode für Halbleiterbauelemente bedingte mithin eine der Einschränkungen bezüglich ihrer Konstruktion.

Aus der GB-PS 8 15 699 ist ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur Herstellung desselben bekannt. Bei diesem Halbleiterbauelement ist der an der Oberfläche des Substrats freiliegende pn-Übergang gegenüber Halbleiterbauelementen mit pn-Übergängen in Form einer ebenen Fläche verkleinert Gemäß einem Ausführungsbeispiel dieses bekannten Halbleiterbauelements gelangen ringförmige bzw. stabförmige Elektroden zur Anwendung, die derart ausgeführt werden, daß sie dicht über den Halbleiter-Hohlzylinder bzw. dicht in diesen Zylinder eingepaßt werden können.

Aus der DE-OS 15 89 783 ist ebenfalls ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus monokristallinem Material wie z. B. Silizium bekannt, wobei es sich jedoch bei diesem bekannten Halbleiterbauelement nicht um einen zylindrischen Körper handelt. Dieses bekannte Halbleiterbauelement weist abgeschrägte Seitenflächen auf, die mit der Grenzfläche des pn-Überganges einen spitzen Winkel einschließen. Diese abgeschrägten Seitenflächen des Halbleiterkörpers führen zu dem Vorteil, daß sich die maximal zulässige Sperrspannungsbelastbarkeit wesentlich erhöht, da sich bei gegebener Sperrspannung die Feldstärke an der Oberfläche in der Umgebung des pn-Überganges niedriger halten läßt als ohne Abschrägung. Bei dieser bekannten Konstruktion soll nach den Ausführungen der genannten deutschen Offenlegungsschrift die Spannungsbelastbarkeit derartiger Bauelemente noch weiter erhöht werden. Dies wird dadurch erreicht, indem man die Seitenfläche dieser Halbleiterbauelemente in einem spitzen Winkel verlaufen läßt, der eine bestimmte Größe hat.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß während der Wärmebehandlung bei der Herstellung des Halbleiterbauelements oder im Betrieb desselben auftretende thermisch bedingte mechanische Spannungen unschädlich gemacht werden und dadurch das Entstehen von Rissen in dem Halbleiterbauelement verhindert wird.

Ausgehend von dem Halbleiterbauelement der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungs-

&■> gemäß dadurch gelöst, daß die an der Innenumfangsfläche des Substrats bzw. der Halbleiterschicht angeordnete Elektrode aus Metall mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Halbleitermaterials des

Substrats besteht, und daß die auf der Außenumfangsfläche des Substrats bzw. der Halbleiterschicht angeordnete Elektrode aus Metall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, welcher denjenigen des Halbleitermaterials des Substrats nicht übersteigt

Aufgrund dieses unterschiedlicheil Wärmeausdehnungskoeffizienten wird auf das Halbleitermaterial bei entsprechender Erwärmung ein beidseitiger Druck ausgeübt, wodurch die Bruchanfälligkeit des Halbleitersubstrats wesentlich vermindert wird.

Im einzelnen kann die Erfindung dadurch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß die an der Innenumfangsfläche des Substrats bzw. der Halbleiterschicht vorgesehene Elektrode die Form eines Hohlzylinders besitzt.

Schließlich kann die Erfindung auch dadurch noch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß ein Teil des pn-Obergangs an einem Abschnitt der Oberfläche des Substrats freiliegt, der zu einer kegclslumpfförmi- gen Fläche geformf ist.

Die kegelstumpfförmige Gestaltung des Halbleiterbauelements führt speziell bei der zylindrischen Konstruktion zu dem Vorteil, daß die Stromdichteverteilung in dem Halbleiterbauelement wesentlich verbessert wird, was sich aufgrund der unterschiedlichen Größe der Übergangsflächen zwischen dem Halbleitersubstrat und den Elektroden erklären läßt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der «Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Stirnsei'ena'isicht eines zur Verwendung bei dem Halbleiterbauelement geeigneten Substrat aus Halbleitermaterial;

Fig.2 einen Läng&chiMtt längs der Linie H-II in Fig. 1,

Fig.3 eine Stirnseile'iar'sicht des Halbleitersubstrats mit einer HalbleitersCriicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,

Fig.4 einen Längsschnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 3,

Fig.5 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung und

Fig.6 eine Fig. 5 ähnelnde Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Der pn-Übergang kann die Form einer beliebig gekrümmten Fläche besitzen, ist es aus den im folgenden gena.inten Gründen am vorteilhaitesten, dem pn-Übergang die Form einer kreiszylindrischen Fläche zu verleihen, wie es auch aus der GB-PS bekannt ist. Wenn nämlich der pn-Übergang die Form einer kreiszylindrischen Fläche besitzt, wird in dem zugeordneten Halbleitersubstrat sowie an diesem Übergang ein gleichmäßiges elektrisches Feld hergestellt. Außerdem werden hierdurch die Fertigung und die maschinelle Bearbeitung von homogenen, hochqualitativen Halbleitersubstraten vereinfacht, und ihre Übergänge können ohne weiteres gleichmäßig ausgebildet werden. Zudem wird dadurch gewährleistet, daß die Elektrode einfach an den Halbleitervorrichtungen betriebsfähig t,o angebracht werden kann. Ada diesem Grund werden die Ausführungsbeispiele im folgenden in Verbindung mit kreiszylindrischen Substraten aus Halbleitermaterial beschrieben, doch ist zu beachten, daß auch Halbleitersubstrate eines beliebigen anderen Querschnittsprofils als mit kreiszylindrischem Profil anwendbar sind.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Substrat aus einem zweckmäßigen Halbleitermaterial, wie Silizium, in Form eines kreisförmigen Hohlzylinders 10 dargestellt, der von einer koaxialen Zentralbohrung 12 durchsetzt wird Das Substrat 10 weist somit eine innere und eine äußere Umfangsfläche auf, die zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen bilden. Das Substrat 10 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Einkristall aus Silizium vom η-Typ. Das n-Typ-Substrat 10 weist eine rohrförmige p-Typ-Schicht 14 an der einen Hauptfläche, & h. an ihrer Innenumfangsfläche, und eine rohrförmige η + -Typ-Schicht 16 auf der anderen Hauptfläche, d. h. an der Außenumfangsfläche auf. wobei diese Schichten dadurch hergestellt worden sind, daß Dotierungen, welche dem Substrat die p- bzw. n-Leitfähigkeit verleihen, von der Innen- bzw. Außenumfangsfläche des Substrats her bis zu jeweils einer vorbestimmten Tiefe in das Halbleitermaterial des Substrats 10 eindiffundiert wurden. Die rohrförmigen Schichten 14 und 16 sind koaxial zur Längsachse des Substrats 10 angeordnet Die rohrförmige p-Schicht 14 bildet einen pn-Übergang 18 zwischen ihr und dem Substrat 10 vom η-Typ, während die rohrförmige η+ -Schicht 16 einen nn +-Übergang 20 zwischen ihr und dem n-Typ-Substrat 10 bildet, und beide Übergänge verlaufen koaxial zur Längsachse des Substrats 10. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegen diese Übergänge 18 und 20 als kreiszylindrische Flächen vor, die ebenfalls koaxial zur Längsachse des Substrats 10 und mithin zur Zentralbohrung 12 verlaufen.

Der auf diese Weise hergestellte Aufbau bildet gemäß den Fig. 3 und 4 ein Halbleiterbauelement in Form einer pnn ⁺-Diode, bei welcher die innerste Schicht 14 vom p-Typ und die äußerste Schicht 16 vom η+ -Typ ist, während die Innenschicht oder Zwischenschicht aus dem ursprünglichen Halbleitermaterial vom n-Typ besteht.

In F i g. 5, in welcher die den Teilen von F i g. 3 und 4 entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezugsziftern bezeichnet sind, ist ein fertiggestelltes Halbleiterbauelement dargestellt, weiche die Diode gemäß Fig. 3 und 4 sowie zwei betrieblich damit verbundene Metall-Elektroden aufweist.

Genauer gesagt, sind dabei die beiden Stirnflächen des Substrats zu kegelstumpfförmigen Flächen abgeschrägt. Sodann wird eine hohlzylindrische Metallelektrode 22 mit einer dem Substrat 10 komplementären Bohrung auf das Substrat aufgeschoben und mit Hilfe einer zwischengefügten Schicht 24 aus einem zweckmäßigen Hartlot, wie Aluminium, mechanisch und elektrisch mit dem Substrat verbunden. Die Elektrode 22 bildet eine Kathode und endet kurz vor den beiden Enden der rohrförmigen Außenschicht 16. Eine andere Metallelektrode 26 mit der Zentrahlbohrung 12 angepaßter Form ist in letztere eingesetzt und durch eine der Lotmaterialschicht 24 ähnelnde Lotschicht 28 mechanisch und elektrisch mit dem Substrat 10 verbunden. Die Elektrode 26 bildet eine Anode und ragt aus den beiden Enden des Substrats 10 heraus. Gemäß F i g. 5 besitzt die Anode 28 die Form eines kreisförmigen Hohlzylinders. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Innere der Elektrode 28 als Durchgang für ein Kühlmedium benutzt werden, so daß das Halbleiterbauelement ohne weiteres mit hohem Wirkungsgrad kühlbar ist.

Die zur Bildung der Elektrode, welche als Träger für das zugeordnete Halbleiterbauelement dient, ausgewählten metallischen Werkstoffe mußten bisher zwangsläufig ungefähr den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen wie das Halbleitermate-

rial des Bauelements. Wenn beispielsweise das Halbleiterbauelement aus Silizium besteht, wurde als Trägerelektrode eine solche aus Molybdän oder Wolfram verwendet.

Diese bisher für die Elektrode verwendeten metallischen Werkstoffe sind jedoch infolge ihrer großen Härte nicht leicht maschinell zu bearbeiten. Außerdem ist es dabei nicht immer einfach, diese Werkstoffe Oberflächenbehandlungen, wie Löten bzw. Hartlöten oder Galvanisieren, zu unterwerfen. Aus diesem Grund stellte bisher die Auswahl des Elektrodenmaterials einen der die Konstruktion von Halbleiterbauelementen einschränkenden Faktoren dar.

Diese Einschränkung wird bezüglich der Wärmeausdehnungskoeffizienten der metallischen Werkstoffe für die Trägerelektrode ausgeschaltet. Dies zeigt das in F i g. 6 dargestellte Halbleiterbauelement. In F i g. 6 sind die den Teilen von Fig.4 und 5 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von derjenigen gemäß den Fig. 4 und 5 nur darin, daß die Innenelektrode 26' die Form eines massiven Zylinders von kreisförmigem Querschnitt besitzt, der aus einem Metall mit größerem Wärmeausdehungskoeffizienten als dem des Materials des Halbleitersubstrats 10 besteht, während die Außenelektrode 22' aus Metall besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich groß oder kleiner ist als derjenige des Materials des Substrats 10. Beispielsweise kann die Innenelektrode 26' aus Kupfer bestehen.

Die Erfindung bietet somit zahlreiche Vorteile. Zunächst seien die Vorteile des aus der o. g. GB-PS bekannten Halbleiterbauelements und damit auch des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gegenüber herkömmlichen Halbleiterbauelementen mit im wesentlichen ebenen pn-Obergangsflächen betrachtet. Beispielsweise kann die Stromkapazität ohne weiteres dadurch erhöht werden, daß die Länge des betreffenden Halbleitersubstrats vergrößert wird, um die Fläche des pn-Obergangs in dem Substrat zu vergrößern. Diese Flächenvergrößerung des pn-Übergangs ist dabei nicht von einer Vergrößerung des an der Oberfläche des Substrats freiliegenden Abschnitts des pn-Übergangs begleitet, wie dies bei bekannten Halbleiterbauelementen mit pn-Übergängen in Form einer ebenen Fläche der Fall ist. Dies bedeutet, daß bei dieser Konstruktion die beiden an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Substrats freiliegenden Ränder des pn-Übergangs unabhängig von der Länge des Substrats gleich groß

ίο bleiben. Selbst wenn die Stromkapazität, wie erwähnt, erhöht wird, bleibt dabei der Oberflächenkriechstrom auf einem vergleichsweise niedrigen, festen Wert, ohne sich zu erhöhen. Außerdem kann das Volumen des Halbleiterbauelementes im Vergleich zu den herkömm-

liehen Halbleiterbauelementen mit ebenen pn-Übergängen ähnlicher Stromkapazität verkleinert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Halbleiterbauelement einen pn-Übergang in Form einer gekrümmten Fläche besitzt.

Darüberhinaus ist das Halbleiterbauelement gemäß F i g. 5 und 6 auch insofern vorteilhaft, als dann, wenn sich Innen- und Außenelektrode und Halbleitersubstrat bei der betreffenden Wärmebehandlung oder im Betrieb unterschiedlich ausdehnen, die beiden Elektroden miteinander zusammenwirken und eine Druckbeanspruchung auf das Substrat ausüben, wodurch letzteres an einem Bruch infolge Biegung gehindert wird. Außerdem wird dabei die Lötwirkung verbessert, was zu einer festen elektrischen Verbindung des Halbleiter-Substrats mit den Elektroden führt. Weiterhin brauchen die Elektroden nicht aus Metall mit etwa dem Ausdehnungskoeffizienten des verwendeten Halbleitermaterials entsprechendem Wärmeausdehnungskoeffizienten zu bestehen, vielmehr können sie aus beliebigen Metalien hergestellt werden, die in der o.g. Weise andere Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Halbleitermaterial besitzen können.

Das Halbleiterelement braucht nicht, wie beschrieben, eine Halbleiterdiode sein, sondern kann auch ein Transistor, Thyristor usw. sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem Substrat aus einem Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeitstyps in Form eines Hohlzylinders mit vorbestimmtem Querschnittsprofil, mit mindestens einer Halbleiterschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf der Außen- und/oder der Innenumfangsfiäche des Substrats, die mit letzterem einen pn-Obergang in Form einer um die Längsachse des Substrats herum gekrümmten Fläche bildet, und mit zwei Metall-Elektroden in ohmschen Kontakt mit der Außen- bzw. der Innenumfangsfläche des Substrats bzw. der Halbleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Innenumfangsfläche des Substrats (10) bzw. der Halbleiterschicht (14) angeordnete Elektrode (26, 26') aus Metall mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Halbleitermaterials des Substrats (10) besteht, und daß die auf der Außenumfangsfläche des Substrats (10) bzw. der Halbleiterschicht (14) angeordnete Elektrode (22, 22') aus Metall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, welcher denjenigen des Halbleitermaterials des Substrats (10) nicht übersteigt.

2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Innenumfangsfläche des Substrats (10) bzw. der Halbleiterschicht (14) vorgesehene Elektrode (26) die Form eines Hohlzylinders besitzt (F i g. 5).

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des pn-Übergangs an einem Abschnitt (16) der Oberfläche des Substrats (10) freiliegt, der zu einer kegelstumpfförmigen Fläche geformt ist.