DE2425540A1

DE2425540A1 - Mehrzonenhalbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2425540A1
Application number: DE19742425540
Authority: DE
Inventors: Andre Dr Jaecklin
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1974-05-03
Filing date: 1974-05-27
Publication date: 1975-11-13
Also published as: CH571769A5; DE2425540C2

Description

Mehrzonenhalbleiterbauelement Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit zwei Kon= taktelektroden und einem Halbleiterkörper, der aus einer niedrig dotierten Mittelzone und zwei daran anschliessenden höher dotierten Aussenzonen entgegengesetzten Leitfähigkeits: typs besteht, wobei die Störstellenkonzentration in der Mittel= zone kleiner als 1015 cm 3 und die an der Oberfläche der Stirn= flächen der Aussenzonen grösser als 1019 cm 3 ist.
Solche Halbleiterbauelemente sind beispielsweise aus den Brown Boveri Mitteilungen, Nr. 9, 1972, Seite 476 - 482, bekannt und werden bevorzugt zum Schutz gegen Ueberspannungen in Stromrichteranlagen verwendet.
In einem elektrischen Ersatzschaltbild können sie prinzipiell als zwei mit entgegengesetzter Polarität in Serie geschaltete stossspannungsfeste Halbleiterdioden aufgefasst werden.
Die Strom-Spannungskennlinie dieser Halbleiterbauelemente weist etwa die in Fig.3, Kurve b, dargestellte Form auf, d.h.
über einem bestimmten positiven bzw. negativen Wert der Spannung an dem Schutzelement, der der Lawinendurchbruchspannung der Halbleiterdiode entspricht, erzeugt eine sehr kleine Spannungs= erhöhung am Schutzelement eine sehr grosse Stromerhöhung.
Diese bekannten Begrenzungselemente (im folgenden auch als DSAS-Elemente bezeichnet, wobei D für Diode, S für Silizium, A für "controlled avalanche" und das zweite S für symmetrisch stehen) bewirken, dass unabhängig davon, ob es sich um Störun= gen mit hohen Ueberspannungen oder um Störungen mit nur ge= ringen Ueberspannungen handelt, an dem zu schützenden Element, etwa einem Thyristor, Impulse in Höhe der Lawineneinsatz= spannung des DSAS-Elementes liegen.
Die herkömmlichen DSAS-Elemente besitzen demnach den Nachteil, dass auch die relativ häufig auftretenden Störungen mit nur geringer Ueberspannung die gleiche Verlustleistung in dem zu schützenden Element erzeugen, wie die Störungen mit hohen Ueberspannungen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Spannung= begrenzer anzugeben, der es ermöglicht vor allem für die re= lativ häufig auftretenden Störungen mit geringen Ueberspannun= gen die Verlustleistung in dem zu schützenden Element geringer zu.halten, als dieses bei Verwendung von herkömmlichen Spannungsbegrenzern möglich ist, und der sich ausserdem durch einfache Fertigung und Aufbau auszeichnet.
Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungs= gemäss das Halbleiterbauelement mindestens im Bereich eines Zonenüberganges, mindestens in einer der beiden anschliessen= den Zonen die Störstellenkonzentration an definierten Stellen lökal erhöht ist und der Wert des Bahnwiderstandes zwischen diesen Stellen und der jeweils nächsten Kontaktelektrode er= höht ist.
Besonders bewährt haben sich Halbleiterbauelemente, bei denen zwecks Erhöhung des Wertes des Bahnwiderstandes die Stirn= flächen der Aussenzonen über den Stellen erhöhter Störstellen= konzentration eine Ausnehmung aufweisen.
Vorzugsweise sind im. Bereich mindestens eines Zonenüberganges mindestens drei Stellen erhöhter Störstellenkonzentration vor= handen, wobei die Abstände zwischen den benachbarten Stellen den gleichen Wert besitzen.
Weitere Merkmale sowie die Wirkungsweise der Erfindung werden nachstehend anhand von im Zusammenhang mit Zeichnungen näher erläuterten Ausführungsbeispielen dargestellt.
Es zeigen: Fig.l einen seitlichen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit punktförmigen Stellen erhöhter Störstellenkonzentra= tion, Fig.2 eine Draufsicht des Halbleiterbauelementes nach Fig.l, Fig.3, Kurve a, die Strom-Spannungskennlinie des Halbleiter= bauelementes nach Fig.l, Fig.3, Kurve b,die Strom-Spannungskennlinie eines herkömm= lichen DSAS-Elementes, Fig. und 5 Ausschnitte aus zwei anderen Ausführungsformen, Fig.6 ein Halbleiterbauelement mit fingerförmigen Stellen erhöhter Störstellenkonzentration.
Das in Fig.l und Fig.2 dargestellte Halbleiterbauelement be= steht aus einem einkristallinen Halbleiterkörper 1 und zwei sich an diesen Körper anschliessenden Kontaktelektroden 2 und 3.
Der Halbleiterkörper 1 weist drei Zonen abwechselnd entgegen= gesetzten Leitfähigkeitstyps auf: die P-Zone 4, die N-Zone 5 und die P-Zone 6. Die beiden P-Zonen 4 und 6 besitzen an den Stirnflächen 7 und 8 eine Oberflächen-Störstellenkonzentration von 1019 cm 3, während die N-Zone 5 sehr schwach dotiert ist und höchstens 1015 Störstellenatome/cm3 enthält. Diese Zonen 4, 5 und 6 bilden die durch strichlierte Linien angedeuteten PN-Uebergänge 9 und 10.
Um die Sperrfähigkeit der Scheibe zu erhöhen sind die Seiten= flächen 11 und 12 des Halbleiterkörpers 1 in bekannter Weise abgeschrägt (beispielsweise doppelseitig mit flachem Winkel wie in Fig.l dargestellt).
Die hochohmige N-leitende Zone 5 ist lokal beispielsweise an insgesamt sieben Stellen 13 (vgl. auch Fig.2) zusätzlich N-dotiert, wobei die Störstellendichte mindestens zwei-mal höchstens aber zehn-mal so hoch wie die Grunddotierung ist und die Tiefe (gemessen von den Stirnflächen 7 und 8) dieser Störstellen etwa 20 bis 200/«m beträgt.
Ueber diesen Stellen 13 erhöhter Störstellenkonzentration sind die Stirnflächen 7 und 8 nicht kontaktiert und die Ausnehmun= gen 14 eingeätzt. Die Tiefe dieser Ausnehmungen liegt zwischen 10 und lOOvm und der Durchmesser D der jeweiligen Ausnehmung ist mindestens zwei-mal höchstens aber zwanzig-mal grösser als der Durchmesser d der unter diesen Ausnehmungen liegenden Stellen erhöhter Störstellenkonzentration.
Fig. 3, Kurve a, zeigt die Strom-Spannungskennlinie eines solchen Halbleiterbauelementes im 1. Quadranten.
Die Kennlinie ist für das Element der Fig.l symmetrisch zum Nullpunkt. Sie weist drei Arbeitsgebiete auf. Diese werden in Fig.3 (Kurve a) als Bereich I (O #U < Ua), Bereich II (Ua# U# Ub) und Bereich III (U#Ub) bezeichnet.
Zur Erklärung der Wirkungsweise des Halbleiterbauelementes wird im folgenden angenommen, dass an der Elektrode 2 ein negatives Potential und an der Elektrode 3 ein positives Potential liegt. Der Zonenübergang 10 ist in diesem Fall in Durchlassrichtung, der Zonenübergang 9 in Sperrichtung gepolt.
Eine Zunahme der angelegten Spannung bewirkt zunächst ledig= lich eine Zunahme des Widerstandes des Zonenüberganges 9.
Der Sperrstrom, der im wesentlichen durch thermische Paar= erzeugung entsteht, ist vernachlässigbar klein (Bereich I der I-U-Kennlinie).
Bei weiterer Steigerung der Spannung treten an dem Zonenüber= gang 9 an den definierten Stellen 13 mit erhöhter N-Dotierung so hohe Feldstärken auf, dass durch Stossionisierung eine Lawinenbildung von Stromträgern eintritt. Die durch die Aus= nehmungen 14 verursachte Erhöhung des Bahnwiderstandes zwischen den Stellen 13 erhöhter Störstellenkonzentration und der Elektrode 2 bewirkt eine Begrenzung des Stromanstieges bei Ueberschreitung der Lawinendurchbruchspannung a (Bereich II der I-U-Kennlinie). Die Ausnehmungen in den Stirnflächen 7, 8 sind deswegen besonders wirksam, weil dort aufgrund der hohen Dotierung eine besonders grosse Querleitfähigkeit besteht.
Die Steilheit der Strom-Spannungskennlinie ist etwa dem re= ziproken Wert des Bahnwiderstandes proportional.
Wird die an den Elektrode 2 und 3 liegende Spannung noch weiter erhöht, so tritt schliesslich bei Ub auch in dem restlichen (nicht zusätzlich dotierten) Gebiet des Zonenüber= ganges 9 ein Lawinendurchbruch ein. Eine geringe Spannungs= erhöhung führt in diesem Bereich zu einer grossen Stromzu= nahme (Bereich III der I-U-Kennlinie).
Dieser Aufbau der Kennlinie (Fig.3, Kurve a) ist am schärfsten aUsgeprägt, wenn der Teil der Zonenübergänge, der für die Lawinendurchbruchspannung Ua verantwortlich ist, eine im Ver= hältnis zur gesamten Zonenübergangsfläche sehr kleinen Teil einnimmt und wenn das Verhältnis von Durchmesser D der zylin= dersymmetrischen Ausnehmungen 14 zum Durchmesser d der unter diesen Ausnehmungen 14 liegenden Stellen 13 erhöhter Stör= stellenkonzentration mindestens zwei und höchstens zwanzig beträgt.
Bei der Herstellung des Aktivteils des Halbleiterbauelementes nach Fig.l geht man von einer schwach dotierten N-leitenden Siliziumscheibe mit einer Dicke von etwa 150 bis l500fim aus.
Die Dotierung des Siliziums kann zwischen 1013 und 1015 Do= natoratome/cm3 betragen. In diese Siliziumscheibe wer-den Ver= tiefungen in die Stirnflächen 2 und 3 über den Stellen 13, die zusätzlich N-dotiert werden sollen, eingeätzt. Der Durch= messer dieser Vertiefungen liegt zwischen 10 und 1000/zum, die Tiefe zwischen 0 und 100/um. Nach Auflegung einer Dif-fusions= maske erfolgt durch die geätzten Vertiefungen hindurch eine lokale Diffusion, z.B. mit Phosphor, zur Erzeugung der Stel= len 13 erhöhter N-Störstellenkonzentration.
Zur Bildung der Zonenübergänge 9 und 10 wird die Diffusions: maske durch ein geeignetes Aetzmittel entfernt und in die Siliziumscheibe in einem weiteren Diffusionsprozess, z.B.
Bor zur Erzeugung der P-Zonen 4 und 6 eindiffundiert. Dabei werden die Menge der Dotierungssubstanz und die übrigen Reak= tionsparameter bei dem verwendeten Diffusionsverfahren (etwa der Ampullendiffusion) so gewählt, dass sich in der Scheibe eine Randkonzentration von mindestens 10 9 cm 3 einstellt.
Die Dicke dieser P-leitenden Diffusionsschicht kann zwischen 20 und 200/ m betragen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann zur Vergrösserung des Bahnwiderstandes in der Umgebung der Vertiefungen für die lokale Diffusion ein Teil der hochleitfähigen Oberflächenschicht abgeätzt, sodass sich die Ausnehmungen 14 ergeben.
Schliesslich wird die P-dotierte Schicht an den Seitenflächen 11 und 12 der Siliziumscheibe 1 entfernt und die so behandel= ten Seiten in bekannter Weise beispielsweise doppelseitig ab= geschrägt.
Die Verwendung des Halbleiterbauelementes nach Fig.l mit den Schwellspannungen Ua und Ub zur Spannungsbegrenzung -im Hinblick auf die gestellte Aufgabe- beruht nun darauf, dass der Schutz gegen Ueberspannungen (darunter werden in diesem Zusammenhang Spannungen an der Störquelle > Ub verstanden) nicht erst bei Ub, wie bei den DSAS-Elementen herkömmlicher Bauweise (vgl. Fig.3, Kurve b), sondern bereits bei einer kleineren Spannung a einsetzt. Ein Teil der bei Verwendung von DSAS-Elementen vollständig vom zu schützenden Element, etwa einem Thyristor, zu verarbeitende Verlustleistung wird jetzt teilweise vom Schutzelement selbst übernommen, weil zwischen Störquelle und dem zu schützenden Element durch den im DSAS-Element fliessenden Strom ein Spannungsabfall ent= steht, sodass die am zu schützenden Element wirksam liegende Spannung nur in Ausnahmefällen Ub übersteigt.
Besonders im Hinblick auf die häufig auftretenden Impulse geringer Ueberspannung bewirkt das neue Schutzelement eine wesentlich bessere Ausnutzung des zu schützenden Elementes.
Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem nicht die N-Zone sondern die P-Zonen an definierten Stellen 13a stärker dotiert sind, bzw. einen grösseren Konzentrationsgradienten aufweisen als das restliche Zonengebiet. Der Konzentrationsgradient der Störstellen an diesen Stellen 13a ist etwa 2 bis 10 mal sogross wie im übrigen P-Gebiet. Vorzugsweise wird für die Stelle 13a ein anderer Akzeptor, z.B. Gallium, verwendet als für die Zonen 4 und 6 (z.B. Aluminium).
In Fig.5 wird die Erhöhung des Bahnwiderstandes nicht durch Ausnehmungen über den Stellen 13, bzw. 13a, sondern durch Eindiffusion von Kompensationsstörstellen erreicht.
Fig.6 zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement mit ffngerförmigen Stellen 13b erhöhter Störstellenkonzen= tration. Diese Stellen 13b sind in Fig.6 (beispielsweise) sternförmig angeordnet. Die Ausnehmungen über den Stellen 13b erhöhter Störstellenkonzentration weisen hierbei eine (beispielsweise) zusammenhängende ebenfalls sternförmige Struk= tur auf.
Kennlinie und Wirkungsweise der drei letzten Ausführungsbei= spiele entsprechen dem Ausführungsbeispiel nach Fig.l und 2.

Claims

Patentansprüche

(1 Halbleiterbauelement mit zwei Kontakt elektroden und einem Halbleiterkörper, der aus einer niedrig dotierten Mittelzone und zwei daran anschliessenden höher dotierten Aussenzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht, wobei die Störstellenkonzentration in der Mittelzone kleiner als 1015 cm 9 ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Bereich eines Zonenüberganges (9, 10) mindestens in einer der beiden anschliessenden Zonen (4,5; 5,6) die Störstellenkonzentration an definierten Stellen (13, l3a, l3b) lokal erhöht ist, und der Wert des Bahnwiderstandes zwischen diesen Stellen (13, l3a, 13b) und der jeweils nächsten Kontaktelektrode (2, 3) erhöht ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Stellen (13, 13b) erhöhter Störstellenkonzentration einen Teil der Mittelzone (5) bilden.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Stellen (l3a, l3b) erhöhter Störstellenkonzentration einen Teil der Aussenzonen (4, 6) bilden.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Störstellenkonzentration mindestens 2- höchstens aber 10-mal grösser ist als die Grunddotierung.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Störstellenkonzentration einen Gradienten aufweist, der mindestens 2-,höchstens aber 10-mal grösser ist als jener der Aussenzonen (4, 6).
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennseichnet, dass zwecks Erhöhung des Wertes des Bahnwiderstandes die Stirnfläche (7, 8) über den Stellen (13, 13a, 13b) erhöhter Störstellenkonzentration eine Ausnehmung (14, 14b) aufweist.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erhöhung des Wertes des Bahnwiderstandes die Stirnfläche (7, 8) der Aussenzone (4, 6) über den Stellen (13, 13a, 13b) erhöhter Störstellenkonzentration nicht kontaktiert ist und dass der lokale Widerstand durch Kompensationsstörstellen (14a) erhöht ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (14, 14b) 10 bis 100/Til tief ist.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich mindestens eines Zonenüberganges (9, 10) mindestens drei Stellen (13, 13a) erhöhter Störstellenkonzentration vorhanden sind und dass die Abstände zwischen den benachbarten Stellen (13, 13a) den gleichen Wert haben.
10. Halbleiterbauelement-nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (7, 8) symmetrisch zur Mittellinie (M) sieben Ausnehmungen (14) aufweisen.
11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (14) zylindersymmetrisch sind und das Verhältnis des Durchmessers (D) der Ausnehmung (14) zu dem Durchmesser (d) der unter dieser Ausnehmung (14) liegenden Stelle (13) erhöhter Störstellenkonzentration mindestens 2/ höchstens aber 20 ist.
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen (13b) erhöhter Störstellenkonzentration eine fingerfqrmige Struktur aufweisen.
13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der gesamten Zonenübergangsfläche und der durch die Stellen (13, l3a, 13b) erhöhter Störstellenkonzentration eingenommene Fläche grösser als 10 ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche eines schwach dotierten Halbleiterkörpers (1) 'f c"Z ersten Leitfähigkeitstyps zunächst über den definierten Stellen (13, 13a, 13b) Vertiefungen eingeätzt werden, dass dann nach Auflegung einer Diffusionsmaske durch die geätzten Vertiefungen hindurch in den Halbleiterkörper (1) Störstellen eindiffundiert werden, dass anschliessend die Diffusionsmaske von der Oberfläche des Halbleiterkörpers entfernt und in die gesamte Oberfläche in einem weiteren Diffusionsprozess eine Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eindiffundiert wird, deren-Tiefe geringer ist als die Tiefe der ersten Diffusionsstellen, dass schliesslich die oberflächige Diffusionsschicht von den Seitenflächen (11, 12) entfernt wird und in die Stirnflächen (7, 8) des Halbleiterkörpers (1) entweder Ausnehmungen (14, 14b) geätzt oder Kompensationsstörstellen (14a) eindiffundiert werden.
15. Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1 zur Spannungsbegrenzung in Stromrichteranlagen.
16. Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zu schützende Stromrichterelement ein Thyristor ist.

L e e r s e i t e