DE2702451A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents
HalbleiteranordnungInfo
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Description
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POSTADRESSE: POSTFACH 95Ο16Ο, D-8OOO MÖNCHEN OS
-S-
HITACHI, LTD. 21. Januar 1977
DA-12 403
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung oder ein Halbleiter-Bauelement der im Gattungsbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Art. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Halbleiter-Bauelement, welches im leitenden Zustand
einen geringen Spannungsabfall aufweist. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Halbleiteranordnung
oder ein Halbleiter-Bauelement, welches eine mit Fremdatomen dotierte, polykristalline Halbleiterschicht
auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats aufweist, und bei dem im Halbleitersubstrat ein pn-übergang durch Diffusion
einer Fremdatomart bzw. von Fremdatomen in die polykristalline Halbleiterschicht gebildet wird.
Eine Diode ist ein Halbleiter-Bauelement mit einem eine Sperrschicht
bzw. eine Energiebarriere aufweisenden Halbleitersubstrat und einem Paar Hauptelektroden, die auf beiden Seiten
der Sperrschicht des HalbleiterSubstrats vorgesehen sind.
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•Η"
Die Diode weist sowohl eine Arbeitsweise in Vorwärtsrichtung
auf, bei der bei Anlegen einer Spannung an die zwei Hauptelektroden
ein kleiner Widerstand vorliegt, so dass leicht ein Strom fliessen kann, als auch eine Arbeitsweise in Sperrrichtung
auf, bei der ein hoher Widerstand vorliegt, so dass ein Strom nicht oder nur schwer fliessen kann. Ein wichtiger
Kennwert der Diode ist der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung, wenn die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
In den vergangenen Jahren wurden Computer und ihre externen
Bedienungseinrichtungen oder Terminals,Schaltungsausrüstungen
für Automobile usw. mit kleinen Spannungen betrieben. Für
solche Anwendungsfälle sind daher insbesondere Dioden mit kleinem Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung erforderlich bzw.
wünschenswert. Als Diode mit kleinem Spannungsabfall in Vorwärt srichtung war bis jetzt die Schottky-Barrierendiode^der
kurz Schottky-Diode^bekannt. Diese Diode weist jedoch den Nachteil
auf, dass die Sperrspannung in Sperrichtung gering ist; und ihre Eigenschaften bei hohen Temperaturen schlecht sind.
Weiterhin ist es nachteilig, dass es mit den bekannten Verfahren schwierig ist, die Diode für grosse Stromkapazitäten
oder grosse Schottky-Barrieren-Bereiche mit guter Reproduzierbarkeit
herzustellen. Andererseits lässt sich bei einer Diode mit einem pn-übergang eine hohe Sperrspannung und eine grosse
Stromkapazität bzw. eine grosse Strombelastung vergleichsweise leicht erreichen. Diese Diode weist jedoch den Nachteil auf,
dass der Spannungsabfall"in Vorwärtsrichtung üblicherweise in
der Grössenordnung von 1 bis 2 V liegt. Der Bedarf für eine Diode ist daher gross, die einerseits einen kleinen Spannungsabfall
in Vorwärtsrichtung und andererseits eine hohe Sperrspannung und eine grosse Strombelastbarkeit aufweist.
Der Thyristor ist ein Halbleiter-Bauelement mit einem aus wenigstens
vier Schichten p-n-p-n aufgebauten Haltleitersubstrat, zwei Hauptelektroden, die jeweils mit einem der beiden äusseren
Schichten des Halbleitersubstrats in elektrischer Verbindung ötehen, und Steuereinrichtungen, beispielsweise einer Gate-
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bzw. Steuerelektrode, die dem Halbleitersubstrat ein Steueroder
Triggersignal bereitstellt, um den Stromweg zwischen den zwei Hauptelektroden aus dem nicht-leitenden Zustand in den
leitenden Zustand zu versetzen. Auch dieses Bauelement weist dieselben Erfordernisse wie die Diode auf, wenn sie in Schaltungen
angewandt werden soll, bei denen kleine Spannungen verwendet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue Halbleiteranordnung zu schaffen, die einen kleinen Spannungsabfall
in Vorwärtsrichtung aufweist, deren Sperrspannung auf einfache Weise auf einen hohen Wert gebracht werden kann,
deren Strombelastbarkeit hoch ist und die mit hoher Ausbeute und geringem Ausschuss hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Halbleiter-Bauelementes
ist in Fig. 2 angegeben.
Bei dem erfindungsgemässen Halbleiter-Bauelement ist eine polykristalline Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps
auf einer Halbleiter-Einkristallschicht mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Eine Fremdatomart, die den
Leitfähigkeitstyp der polykristallinen Halbleiterschicht festlegt, wird in die Halbleiter-Einkristallschicht eindiffundiert,
so dass eine Zone des einen Leitfähigkeitstyp gebildet wird, und der spezifische Widerstand der polykristallinen Halbleiterschicht
wird auf der der Halbleiter-Einkristallschicht zugewandten Seite höher gemacht als auf der dieser Seite abgewandten
Seite.
Die Erfindung schafft also eine Halbleiteranordnung, bei der eine Schicht einer Diode durch Diffusion einer Fremdatomart
aus einem polykristallinen Schichtbereich gebildet wird, der auf einem Bereich, in dem die Schicht geformt werden soll,
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aufgebracht bzw. ausgebildet ist. Der polykristalline Schichtbereich
besteht aus zwei Schichten, wobei der spezifische Widerstand der polykristallinen Schicht, die der zuvor genannten
einen Schicht der Diode näher liegt, höher gemacht wird, als der spezifische Widerstand der anderen polykristallinen
Schicht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Diode, die ein erfindungsgeaiässes Ausführungsbeispiel wiedergibt,
Fig. 2 ein Diagramm mit der Verteilung der Ladungsträger-Konzentrationen,
um das Grundprinzip zu erläutern, gemäss dem die Spannung am Halbleiterübergang durch Verringern
der Fremdatom-Konzentration einer Schicht auf einer Seite eines pn-übergang verkleinert wird,
Fig. 3 eine Darstellung der Verteilung der Ladungsträger-Konzentrationen,
um das Grundprinzip zu erläutern, gemäss dem d~e Spannung im Halbleiterübergang durch Verringern
der Dicke einer Schicht auf einer Seite des pn-Übergangs verkleinert wird,
Fig. 4- ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Gesamtfremdatomgehalt pro Flächeneinheit der p-leitenden
Schicht einer Diode und dem Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung wiedergibt, wobei als Parameter die Dicke einer
dazwischen liegenden Schicht mit hohem Widerstand dient,
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch einen Thyristor
gemäss einem weiteren erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Gesamtfremdatomgehalt
pro Flächeneinheit der p-leitenden Emitterschicht eines Thyristors und dem Spannungsabfall
in Vorwärtsrichtung wiedergibt, wobei als Parameter die Summe aus den Dicken der η-leitenden Basisschicht
und der p-leitenden Basisschicht des Thyristors genommen wird, und
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7(a) und 7(b) Profile von Widerstandswerten bzw. von spezifischen Widerständen, die weitere Ausführungsformen
der polykristallinen Schichten wiedergeben.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform, in der die vorliegende Erfindung bei einer Diode angewandt wird. Ein Halbleitersubstrat
1 weist zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten befindliche Hauptoberflächen 11 und 12 sowie eine die Hauptoberflächen
verbindende Seitenfläche 13 auf. Zwischen den beiden Hauptoberflächen 11 und 12 befindet, sich eine erste
Silicium-Einkristallschicht 14, die an eine der Hauptoberflächen
11 und 12, nämlich an die Hauptoberflache 11 angrenzt
und η-leitend ist, eine zweite, η-leitende Silicium-Einkristall schicht 15, die an die erste Silicium-Einkristallschicht
angrenzt und einen Widerstandswert bzw. einen spezifischen Widerstand aufweist, der höher als der spezifische Widerstand
bzw. Widerstandswert der ersten Silicium-Einkristallschicht ist, eine dritte, p-leitende Silicium-Einkristallschicht 16,
die an die zweite Silicium-Einkristallschicht 15 angrenzt und zwischen sich und der zweiten Silicium-Einkristallschicht 15
einen p-n-Übergang J bildet, eine erste p-leitende, polykristalline Silicium-Schicht 17, die an die dritte Silicium-Einkristallschicht
16 angrenzt, sowie eine zweite, p-leitende, polykristalline Siliciumsschicht 18, die an die erste, polykristalline
Silicium-Schicht 17 sowie auch an die andere Hauptoberfläche 12 angrenzt und einen Widerstandswert bzw. einen
spezifischen Widerstand bzw. einen Leitungswiderstand aufweist, der kleiner als der der ersten polykristallinen Silicium-Schicht
17 ist. Die dritte Silicium-Einkristallschicht 16 ist eine sehr dünne Schicht, die auf die Weise ausgebildet
wird, dass Fremdatome, die die Leitfähigkeit der ersten polykristallinen, an die angrenzenden Silicium-Schicht 17 festlegt,
aus dieser sehr dünnen Schicht diffundieren. Eine erste Hauptelektrode 2 steht mit der ersten Silicium-Einkristallschicht
14 an der Hauptoberfläche 11 des HalbleiterSubstrats
und eine zweite Hauptelektrode 3 steht mit der zweiten polykristallinen Silicium-Schicht 18 auf der Hauptoberfläche 12
des Halbleitersubstrats 1 in leitender Verbindung.
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Die Diode gemäss dieser Ausfuhrungsform kann beispielsweise
mit dem nachfolgend angegebenen Verfahren hergestellt werden. Eine η-leitende Epitaxial schicht (die der Schicht 15 entspricht)
mit einem spezifischen Widerstand von 6 Λ-cm und
einer Dicke von 5 bis 7/um wird mit einem bekannten Verfahren
auf einer Oberfläche eines η-leitenden Silicium-Einkristallplättchen (die der Schicht 14 entspricht) ausgebildet,
die mit hoher Konzentration dotiert ist und einen spezifischen Widerstand von 0,005 -Π--cm bis 0,01 XX-cm und
eine Dicke von 250/um aufweist. Darüberhinaus wird eine pleitende,
polykristalline Silicium-Schicht (die der Schicht entspricht), die mit Bor dotiert ist, auf der Epitaxialschicht
ausgebildet. Als Verfahren zur Bildung der polykristallinen Siliciumschicht kann die thermische Zersetzung eines Siliciumhydrids,
die Reduktion eines Siliciumchlorids mit Wasserstoff, die Ionenzerstäuber oder das Vakuumaufdampfen verwendet werden.
In diesem Zusammenhang soll der Fall erläutert werden, bei dem die polykristalline Schicht durch Wasserstoffreduktion ausgebildet
wird, wobei Trichlorsilan (SiHCl,) als Roh- bzw. Ausgangsmaterial
verwendet wird. Eine Graphitunterlage oder ein
Graphitgestell wird in einer Reaktionskammer durch Hochfrequenz-Induktionsheizung
auf einer Temperatur von 950° C gehalten, das η-leitende Silicium-Einkristallplattchen, das vorher mit
der η-leitenden Epitaxialschicht ausgebildet wurde, wird auf
die Unterlage bzw. auf das Gestell gelegt und es werden 30 l/Min. Wasserstoff, 4,6 Mol%/Min. Trichlorsilan und
1,4 χ 10""^ Mol%/Min. Dihydro diboran (B2H6) vermischt und 5 Minuten
lang in die Reaktionskammer einströmen gelassen. Auf diese Weise wird die p-leitende polykristalline Silicium-Schicht
mit einem spezifischen Widerstand von 2,5.flt.-cm mit einer
Dicke von 5/um ausgebildet. Danach wird die Mischung 20 Minuten lang bei einem Strömungsverhältnis des Dihydrodiborans, das
auf 1,4 χ 10~* Mol%/Min. erhöht wurde und etwa lOOmal grosser
als im vorangegangenen Falle ist, strömen gelassen, wobei die übrigen Bedingungen wie im vorausgegangenen Fall beibehalten
werden. Auf diese Weise wird die p-leitende, polykristalline Silicium-Schicht (die der Schicht 18 entspricht) mit einem
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spezifischen Widerstand von 0,02 SL-cm und einer Sicke von
20yum ausgebildet. Bei der Bildung dieser polykristallinen
Schicht dringt das in der polykristallinen Schicht befindliche Bor durch Diffusion in die η-leitende Epitaxialschicht ein,
so dass eine p-leitende, diffundierte Schicht (die der Schicht 16 entspricht) mit einer Dicke von etwa 0,5/um und
12 2 einer Konzentration von 2 χ 10 Atomen/cm gebildet wird.
Venn ein Verfahren zur Bildung der polykristallinen Schicht verwendet wird, bei der keine hohen Temperaturen auftreten,
nuss eine zur Ausbildung der p-1eitenden diffundierten Schicht
erforderliche Wärmebehandlung nach der Ausbildung der polykristallinen Schicht zusätzlich vorgenommen werden.
Gemäss diesem Aufbau kann eine Diode geschaffen werden, die
einen kleinen Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung aufweist, leicht eine hohe Sperrspannung aufweist, bzw. leicht mit einer
hohen Sperrspannung beaufschlagt und mit hohen Strömen belastet werden kann. Dies soll nachfolgend im einzelnen beschrieben
werden.
Der Spannungsabfall der Diode in Vorwärtsrichtung setzt sich aus folgenden Spannungsabfällen zusammen:
(1) Ein Spannungsabfall auf Grund des Eontaktwiderstandes zwischen der Elektrode 2 und der ersten Silicium-Einkristallschicht
14·. .
(2) Ein Spannungsabfall in der ersten Silicium-Einkristallschicht
13.
(3) Ein Spannungsabfall in der zweiten Silicium-Einkristallscticht
15·
(4-) Ein Spannungsabfall Vj am Obergang J.
(5) Ein Spannungsabfall in der dritten Silicium-Einkristallschicht
16.
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(6) Ein Spannungsabfall in der ersten und zweiten polykristallinen
Siliciumschicht 17 und 18.
(7) Ein Spannungsabfall auf Grund des Kontaktwiderstandes bzw. Ubergangswiderstandes zwischen der Elektrode 3 und
der zweiten polykristallinen Siliciumßchicht 18.
Von diesen Spannungsabfällen können die Spannungsabfälle (1)
und (2) dadurch vernachlässigt werden, indem die Freadatomkonzentration
der ersten Silicium-Einkristallschicht 14 ausreichend
hoch gemacht wird. Dies wird sehr häufig vorgenommen.
Was den Spannungsabfall (4) betrifft, so ist im Hinblick darauf, dass die Fremdatomkonzentration der zweiten Silicium-Einkristallschicht
15 festliegt, das Ubergangspotential des p—n—
Übergangs kleiner, da die Fremdatomkonzentration der dritten Silicium-Einkristallschicht geringer und die Dicke der dritten
Silicium-Einkristallschicht 16 kleiner ist. Die Gründe hierfür sollen anhand der Fig. 2 und 3 erläutert werden. In Fig. 2
ist ein Diagramm dargestellt, das qualitativ die Verteilungen der Ladungsträger-Konzentration der Ein-Kri stall schichten 14,
15 und 16 der in Fig. 1 dargestellten Diode bei einen grossen Strombereich wiedergibt. Auf der Abszisse ist der Abstand
von der Oberfläche der dritten Silicium-Einkristallschicht 16 und auf der Ordinate die Ladungsträger-Konzentrationen aufgetragen.
Eine Kurve h gibt die Löcherkonzentration und eine Kurve e die Elektronenkonzentration an. Da die sogenannte
Leitungsmodulation bei grossen Strömen bzw. in einen Arbeitsbereich mit grossen Strömen in der zweiten Silicium-Einkristallschicht
15 stattfindet, ist die Ladungsträger-Konzentration höher als die dieser Schicht eigene Fremdatomkonzentration N^.
Die positive und die negative Ladungsträger-Konzentration der zweiten Silicium-Einkristallschicht 15 sind einander auf
Grund des Neutralitätsgrundsatzes gleich. Allgemein gilt für die Spannung Vj am Übergang, die nachfolgend als Überganssspannung Vj bezeichnet werden soll, folgende Gleichung:
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Wie in Fig. 2 angegeben ist, ist X hierbei die Ladungsträger-Konzentration
der zweiten Silicium-Einkristallschicht 15 am p-n-übergang J, und Y die Ladungsträger-Konzentration der
zweiten Silicium-Einkristallschicht 15 an der Grenze zwischen der ersten Silicium-Einkristall schicht 14 und der zweiten
Silicium-Einkristallschicht 15· Weiterhin bezeichnet q die Elektronenladung, k die Boltzmann-Konstante, T die absolute
Temperatur und n- die Ladungsträger-Konzentration des Eigenbzw. Intrinsic-Halbleiters. Jetzt wird die Fremdatomkonzentration
NA der dritten Silicium-Einkristallschicht 16 auf
N.' verringert. Da die Löcherkonzentration der dritten Silicium-Einkristallschicht
16 im wesentlichen gleich der Fremdatomkonzentration dieser Schicht ist, nimmt auch die Löcherkonzentration
dieser Schicht ab. Daher nehmen auch die Ladungsträger, die in die zweite Silicium-Einkristallschicht 15
injiziert werden, ab und die Funkte X und Y fallen auf die Punkte X1 und Y1 ab, wie dies in Fig. 2 durch eine gestrichelte
Linie dargestellt ist. Infolgedessen nimmt auch der Spannungsabfall Vj ab, wie dies aus der Gleichung (1) hervorgeht. Das
in Fig. 3 dargestellte Diagramm gibt die Änderungen der Verteilungen
der Ladungsträger-Konzentration in den jeweiligen Schichten dann qualitativ wieder, wenn die Dicke der dritten
Silicium-Einkristallschicht 16 verringert worden ist. Wie in Fig. 2 ist auf der Abszisse der Abstand von der Oberfläche und
auf der Ordinate die Ladungsträger-Konzentration aufgetragen. Eine Kurve h gibt die Löcherkonzentration und eine Kurve e die
Elektronen-Konzentration wieder. In diesem Falle liegt die Grenzbedingung vor, dass die Elektronen-Konzentration an der
Oberfläche der dritten Silicium-Einkristallschicht 16 gleich dem thermischen Gleichgewichtswert np ist. Wenn die Dicke dE
der dritten Silicium-Einkristallschicht 16 daher auf dE" verringert
wird, wie dies in Fig. 3 angegeben ist, nimmt die Elektronen-Konzentration der dritten Silicium-Einkristallschicht
16 in der in Fig. 3 durch eine gestrichelte Linie angegebenen Weise ab. Daher wird auch die Ladungsträger-Konzentration der
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zweiten Silicium-Einkristallschicht 15 verringert, wie dies
ebenfalls durch ei ne gestrichelte Linie in Fig. 3 dargestellt ist, und die Punkte X und Y gehen in die Punkte X" bzw. Y"
über. Daher nimmt der Spannungsabfall Vj ab, wie dies aus Gleichung (1) hervorgeht. Auf diese Weise kann der Spannungsabfall Vj durch Verringern der Fremdatomkonzentration H^ oder
der Dicke d£ der dritten Silicium-Einkristallschicht 16 verkleinert
werden. Die gesamte Fremdatommenge Q pro Flächeneinheit der dritten Silicium-Einkristallschicht 16 wird durch das Produkt
aus der Freaidatomkonzentration N^ pro Flächeneinheit
der dritten Silicium-Einkristallschicht 16 und der Dicke dj,
der Schicht 16 gebildet, d. h. es gilt Q = N^ χ dj.. Daher
nimmt der Spannungsabfall Vj ab, wenn die Grosse Q klein gemacht
wird.
Nachfolgend soll der Spannungsabfall (3) beschrieben werden. Im Arbeitsbereich mit grossem Strom wird der Spannungsabfall
(3) bei konstant gehaltener Dicke der zweiten Silicium-Einkristallschicht 15 kleiner, wenn der Injektionswirkungsgrad
des Übergangs J grosser ist, und die Lebensdauer der Ladungsträger
in der Schicht 15 wird grosser. Es ist grundsätzlich
möglich, die Dicke der Schicht 15 wesentlich kleiner als die Diffusionslänge bzw. ein Diffusionsweg der Ladungsträger zu
machen. Daher braucht die Grosse der Lebensdauer in Betracht nicht
gezogen werden und der Spannungsabfall der Schicht 15 kann dadurch klein gehalten oder gemacht werden, dass die Leitfähigkeitsmodulation
in der Schicht 15 durch Vergrössern des Injektionswirkungsgrades erhöht wird. Der Injektionswirkungsgrad
ist höher, wenn die Fremdatomkonzentration der Schicht erhöht wird, oder wenn ein Fremdatom-Gradient an einem Bereich,
der sich von der Schicht 16 zur Schicht 15 verschiebt, grosser wird. Das bedeutet, dass dann, wenn die Fremdatomkonzentration
der Schicht 16 gross gemacht wird, um den Spannungsabfall in der Schicht 15 zu verkleinern, die umgekehrte Siutation erreicht
wird, bei der der Spannungsabfall Vj am Übergang J grosser wird. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
hat sich jedoch herausgestellt, dass die Verringerung der Dicke der Schicht 15 in dem Masse oder in der Höhe des Einflus-
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ses auf die Abnahme des Spannungsabfalls in der Schicht 15 grosser ist als die Erhöhung des Injektionswirkungsgrades.
Es hat sich daher gezeigt, dass die Zunahme des Spannungsabfalls der Schicht 15 wirkungsvoll dadurch verhindert wird,
dass die Dicke der Schicht 16 genügend klein gemacht und ein extrem geringer Injektionswirkungsgrad vermieden wird.
Die Spannungsabfälle (3) und (4-) werden anhand von Fig. 4
und an Beispielen mit konkreten Zahlenangaben erläutert. Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Grosse Q für die
Gesamtheit der Fremdatome und dem Spannungsabfall V™ in Vorwärt
sr ichtung, wobei die Dicke dg der Schicht 15 der Parameter
ist. Diese Beziehung wurde dadurch erhalten, dass eine grosse Zahl an Dioden mit unterschiedlicher Dicke dß der Schicht 15
und mit unterschiedlichen Werten für die Gesamtfremdatommenge Q pro Flächeneinheit der Schicht 16 hergestellt und die
Spannungsabfälle Vj, der Dioden in Vorwärtsrichtung gemessen
wurde. Die Dicke der ersten polykristallinen Siliciumschicht wurde mit 1 /um konstant gehalten und die Fremdatomkonzentration
dieser Schicht 17 wurde verändert. Die Dicke und der spezifische Widerstand der zweiten polykristallinen Siliciumschicht
wurde mit 20/um bzw. 0,02 JQL-cm konstant gehalten. Die
Stromdichte in Vorwärtsrichtung betrug 100 A/cm . Wie sich aus der Figur ergibt, ändert sich der Spannungsabfall Vj. in Vorwärt
srichtung bei einer Änderung der Gesamtfrendatommenge Q pro Flächeneinheit der dritten Silicium-Einkristallschicht 16,
wenn die Dicke dB der zweiten Silicium-Einkristallschicht 15
nicht grosser als 30 /um ist. Insbesondere ändert sich der
Spannungsabfall Vj, in Vorwärtsrichtung auch bei einer Änderung
der Grösse Q nicht, wenn die Gesamtfremdatommenge Q grosser
als 2 χ 10 Atome/cm ist. Wenn die Gesamtmenge Q der Fremd-
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atome jedoch 2 χ 10 J Atome/cm oder kleiner ist, verringert sich der Spannungsabfall Vg1 in Vorwärtsrichtung in dem Masse, in dem sich die Dicke dß ändert. Wie aus der Figur hervorgeht, tritt eine Verkleinerung des Spannungsabfalls Vj1 in Vorwärtsrichtung durch Verringern der Grösse Q der Schicht 16 bis
atome jedoch 2 χ 10 J Atome/cm oder kleiner ist, verringert sich der Spannungsabfall Vg1 in Vorwärtsrichtung in dem Masse, in dem sich die Dicke dß ändert. Wie aus der Figur hervorgeht, tritt eine Verkleinerung des Spannungsabfalls Vj1 in Vorwärtsrichtung durch Verringern der Grösse Q der Schicht 16 bis
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10 ?
herab zu 1 χ 10 Atomen/cm auf, wobei unter diesem Wert der Spannungsabfall Vj1 trotz Änderung der Grosse Q konstant bleibt. Um die Schicht 16 mit einer Gesamtmenge Q der Fremdatome von 2 χ 10 ^ bis 1 χ 10 Atomen/cm , wie dies zuvor beschrieben wurde, zu bilden, ist es erforderlich, die Dicke der Schicht sehr klein zu machen. Im Falle, dass die Grosse Q auf
herab zu 1 χ 10 Atomen/cm auf, wobei unter diesem Wert der Spannungsabfall Vj1 trotz Änderung der Grosse Q konstant bleibt. Um die Schicht 16 mit einer Gesamtmenge Q der Fremdatome von 2 χ 10 ^ bis 1 χ 10 Atomen/cm , wie dies zuvor beschrieben wurde, zu bilden, ist es erforderlich, die Dicke der Schicht sehr klein zu machen. Im Falle, dass die Grosse Q auf
10 ?
1 χ 10 Atome/cm eingestellt wird, wenn die mittlere Fremdatomkonzentration 1 χ 10 Atome/cm' beträgt, wird die Dicke beispielsweise 0,0001 /um und auch wenn die mittlere Fremdatom-
1 χ 10 Atome/cm eingestellt wird, wenn die mittlere Fremdatomkonzentration 1 χ 10 Atome/cm' beträgt, wird die Dicke beispielsweise 0,0001 /um und auch wenn die mittlere Fremdatom-
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konzentration 1 χ 10 Atome/cnr beträgt, wird die Dicke 0,1/um. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen äusserst dünnen Schicht bei guter Reproduzierbarkeit ist beim momentanen Stand der Technik das Diffusionsverfahren, bei dem als Diffusionsquelle eine mit Fremdatomen dotierte polykristalline Siliciumschicht verwendet wird, insbesondere kann das Diffusionsverfahren angewandt werden, bei dem als Quelle das dotierte, polykristalline Silicium direkt auf die mit Fremdatomen diffundierende Tablette aufgelegt wird. Es lässt sich daher mit guter Reproduzierbarkeit eine Diode, dessen Spannungsabfälle (3) und (4) klein sind, herstellen, indem ein Verfahren angewandt wird, bei dom eine polykristalline Siliciumschicht, die mit Fremdatomen dotiert ist, welches den zu den Fremdatomen der Schicht 15 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp darstellen, auf die Schicht 15 aufgelegt wird, und bei dem die Fremdatome aus der dotierten polykristallinen Siliciumschicht in die Schicht 15 eindiffundieren, so dass sich die Schicht 16 ergibt.
konzentration 1 χ 10 Atome/cnr beträgt, wird die Dicke 0,1/um. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen äusserst dünnen Schicht bei guter Reproduzierbarkeit ist beim momentanen Stand der Technik das Diffusionsverfahren, bei dem als Diffusionsquelle eine mit Fremdatomen dotierte polykristalline Siliciumschicht verwendet wird, insbesondere kann das Diffusionsverfahren angewandt werden, bei dem als Quelle das dotierte, polykristalline Silicium direkt auf die mit Fremdatomen diffundierende Tablette aufgelegt wird. Es lässt sich daher mit guter Reproduzierbarkeit eine Diode, dessen Spannungsabfälle (3) und (4) klein sind, herstellen, indem ein Verfahren angewandt wird, bei dom eine polykristalline Siliciumschicht, die mit Fremdatomen dotiert ist, welches den zu den Fremdatomen der Schicht 15 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp darstellen, auf die Schicht 15 aufgelegt wird, und bei dem die Fremdatome aus der dotierten polykristallinen Siliciumschicht in die Schicht 15 eindiffundieren, so dass sich die Schicht 16 ergibt.
Bezüglich des Spannungsabfalls (5) kann gesagt werden, dass der Spannungsabfall Vj, in Vorwärtsrichtung kaum beeinflusst
wird, da die Schicht 16, wie zuvor beschrieben, sehr dünn ausgebildet ist.
Danach können die Spannungsabfälle (6) und (7) durch Beschränken der Dicke der ersten polykristallinen Siliciumschicht 17,
die zur Festlegung der Gesamtmenge Q der Fremdatome der Schicht 16 beiträgt, auf eine erforderliche Dicke, und durch Verringern
des spezifischen Widerstandes der zweiten polykristallinen
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Siliciumschicht 18, die mit der Elektrode 3 in Verbindung steht,
klein gehalten werden. Dies lässt sich aus der nachfolgend angegebenen Tabelle entnehmen:
Proben- Dicke/spez.Wider- Dicke/spez. Wider- V«
Nr. stand der Schicht 17 stand der Schicht 18
1 5/um/2,5 A-cm 20,um/0,02 XL-cm 0,72 7
2 Schicht 17 ist nicht 25yum/O,O2 JCl^cm 0t87 V
vorhanden *
3 25/um/2,5A-cm Schicht 18 ist nicht 2,5 V
' vorhanden
4 25/um/1 -O—cm dto. 0,89 V
Um bei der erfindungsgemässen Diode die gestellte Aufgabe zu erfüllen, ist es wünschenswert, dass die Schichten 17 und
18 vorgegebene Dicken und spezifische Widerstände aufweisen. Nachfolgend soll dies erläutert werden.
Der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung, bei dem die Diode als Diode mit kleinem Spannungsabfall wirkt und bei dem der
Anwendungswert auftritt, beträgt 0,9 V oder einen kleineren Spannungswert relativ zur Standard-Stromdichte der Dioden oder
100 A/cm . Natürlich wurde in diesem Falle keine Behandlung, die die Lebensdauer verkürzt, beispielsweise keine Diffusion
mit einem schweren Metall oder keine Bestrahlung mit radioaktiven Strahlen vorgenommen. Wenn eine Behandlungsweise, die
die Lebensdauer verkürzt, durchgeführt wird, wird der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung grosser als 0,9 V. Als Ergebnis der Untersuchungen wurde festgestellt, dass der spezifische
Widerstand der Schicht 18 mindestens 0,05^-cm sein muss, um
einen ohmschen Kontakt mit kleinem Übergangswiderstand mit der Hauptelektrode 3 herzustellen. Wenn die Dicken der Schichten
17 und 18 kleiner sind, wird der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung ebenfalls kleiner. Die Verkleinerung der Dicken der
Schichten 17 und 18 ist jedoch dadurch begrenzt, dass der pn-übergang durch die Reaktion bei der Legierung oder Sinterung
mit der Hauptelektrode 3 nicht zerstört werden dar. Als Ergeb-
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nis der Untersuchungen wurde im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung festgestellt, dass Dioden, die normale Kennlinien besitzen, auch dann erhalten werden können, wenn die
Schichten 17 und 18 bis herab, zu 2/um dick gemacht werden.
Daher ist dieser Wert die untere Grenze der Summe aus den jeweiligen Dicken der Schichten 1? und 18. Nachfolgend soll
die Schicht 17 näher untersucht werden. Wenn der spezifische Widerstand dieser Schicht 17 klein genug ist, um eine gute
,leitende Verbindung mit der Hauptelektrode herzustellen, kann das Ubergangspotential des pn-Ubergangs nicht auf einen kleinen
Wert gedrückt werden. Nur wenn der spezifische Widerstand dieser Schicht höher als der spezifische Widerstand der Schicht 18
ist, kann die erfindungsgemässe Wirkung erwartet werden. Das heisst, der spezifische Widerstand der Schicht 17 muss mindestens
0,05.£L-cm betragen. Die Schicht 17 wirkt nicht nur als
Diffusionsquelle der Fremdatome für die Ausbildung der pn-Ubergangs, sondern dient auch dazu, zu verhindern, dass Fremdatome
aus der Schicht 18 in die Schicht 16 diffundieren und macht die Fremdatomkonzentration dieser Zone hoch. Aus diesem Grunde
muss die Dicke der Schicht 17 mindestens 0,1/um betragen.
Bei einem Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung der Bauelementes
bei der Stromdichte von 100 A/cm beträgt der Spannungsabfall
des übrigen Teils mit Ausnahme der Spannungsabfallkomponenten in den elektrischen Verbindungsbereichen bzw. in den ohmschen
Verbindungsbereichen und in den polykristallinen Schichten jedoch mindestens etwa 0,65 V. Im Hinblick darauf können die
Widerstandswerte bzw. die spezifischen Widerstände der Bereiche der ohmschen Kontakte gemäss dem erfindungsgemässen Aufbau
auf einen vernachlässigbaren Wert verkleinert werden. Damit also die Wirkung einer Diode mit kleinen Verlusten auftritt,
wird der maximale, zulässige Spannungsabfall in den polykristallinen Schichten 0,25 V.
Im Falle, dass - wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel - der spezifische Widerstand der Schicht 18 einen
wesentlich kleineren Wert als der spezifische Widerstand der
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Schicht 17 aufweist, kann fast die gesamte Spannung von 0,25 V in der Schicht 17 abfallen. Wenn die Dicke der Schicht 17
mit einer kleinsten Dicke von 0,1/um hergestellt wird, wird
der maximale spezifische Widerstand, den diese Schicht aufweisen kann, in diesem Falle auf 25O.n.-cm festgelegt. Wenn
der spezifische Widerstand dieser Schicht 0,05 Λ-cm gemacht
wird, was der Minitnalwert, bei dem die erfindungsgemässe Wirkung
erwartet werden kann, ist, steigt das Übergangspotential an und damit wird der zulässige Spannungsabfall in der Schicht
17 0,015 V. Um diese Forderung zu erfüllen, wird der obere
Grenzwert der Dicke der Schicht 17 auf 30/um festgelegt.
Im Falle dass der spezifische Widerstand der Schicht 18
0»05«Ä~cm ist, was dem oberen Grenzwert zur Herstellung
des ohmschen Kontaktes entspricht, wird der Spannungsabfall in dieser Schicht 0,25 V bei einer Dicke von 500/um . Wenn der
spezifische Widerstand der Schicht 18 jedoch kleiner ist, kann die Dicke dieser Schicht grosser gemacht werden. Bei polykristallinem
Silicium kann der spezifische Widerstand beispielsweise leicht bis herunter zu 0,001 χχ-cm verringert werden.
In diesem Falle kann die Schicht 18 bis zu 2,5 cm dick gemacht werden. Bei üblichen Halbleiter-Bauelementen ist eine
solch grosse Dicke wirtschaftlich von Nachteil und kann nicht ausgefüh rt werden. Infolgedessen braucht die obere Grenze
der Dicke der polykristallinen Schicht 18 nicht auf den üblichen Verwendungszustand eingestellt zu werden.
Wenn die Borkonzentration in dieser Schicht 17 - wie dies bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist - so klein wie möglich gemacht wird, um die Bormenge, die in die Schicht
diffundiert, zu verringern, und wenn die Schicht 18 mit hoher Fremdatom-konzentration am Kontaktbereich mit der Hauptelektrode
3 ausgebildet wird, lassen sich neben der Wirkung, dass das Übergangspotential verringert wird und dass der ohmsche Kontakt
mit der Elektrode gut wird, folgende Vorteile erzielen.
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Der Abstand zwischen dem pn-Ubergang J und der Hauptelektrode
kann durch Dickermachen der polykristallinen Schicht mit hoher Fremdatomkonzentration gross gemacht werden, ohne dass dadurch
der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung vergrössert wird. Infolgedessen
kann die Elektrode gebildet werden, ohne dass der pn-übergang beeinflusst wird. Es ist daher möglich, ein
Bauelement mit einer gewünschten Sperrspannung bei guter Ausbeute herzustellen.
Die Tatsache, dass die polykristalline Schicht ausreichend dick gemacht werden kann, bedeutet, dass das Volumen zur
Absorption der im pn-übergang erzeugten Hitze gross wird. Daher vergrössert sich die Absortpionsfähigkeit für Stossströme,
so dass die Immunität bzw. die Funktionssicherheit bei einem kurzzeitigen Überstrom verbessert wird.
Im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Diode mit dem p-n-n -Aufbau erläutert. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch auch bei einer Diode mit einem n-p-p+-Aufbau, bei dem die η-leitende Schicht durch eine
Fremdatomdiffusion aus einem Polykristall gebildet wird, und bei einer Diode anwendbar, bei der der Endbereich des pn-Übergangs
an der Seite einer Hauptoberfläche endet.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die vorliegende
Erfindung im Zusammenhang mit einem Thyristor angewendet wird. Ein Halbleitersubstrat 21 besteht aus vier Schichten, nämlich
aus einem η-leitenden Emitter Ng, einer p-leitenden Basisschicht
Pg, einer n-leitenden Basisschicht Ng und einer p-leitenden
Emitterschicht P£. Eine Kathodenelektrode 22 befindet sich in elektrischem Kontakt mit der η-leitenden Emitterschicht
Nj.. Eine Anodenelektrode 23 steht mit der p-leitenden Emitterschicht
Pj. über eine polykristalline Halbleiterschicht 24 in
elektrischer Verbindung, und eine Gate-Elektrode 25 ist mit
der p-leitenden Basisschicht Pß elektrisch verbunden. Die polykristalline
Schicht 24 besteht aus einer ersten, p-leitenden polykristallinen Schicht 241, die an die p-leitende Emitter-
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schicht P-g angrenzt und als Diffusionsquelle für die p-leitende
Emitterschicht Ρ£ dient, und einer zweiten p-leitenden, polykristallinen
Schicht 242, die an die erste polykristalline Schicht 241 angrenzt und einen kleineren spezifischen Widerstand
aufweist, als die erste polykristalline Schicht 241. Der Thyristor wird mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren
hergestellt.
Ein η-leitendes Silicium-Einkristallplättchen, das mit dem
Schwebezonenverfahren gereinigt wurde, einen spezifischen Widerstand von etwa 40 Λ,-cm und eine Dicke von 240/um aufweist,
wird als Ausgangsmaterial verwendet. Das Siliciumplättchen
wird zusammen mit Gallium in ein Quarzrohr eingeschlossen und etwa 2 Stunden lang bei 1150° C wärmebehandelt, so dass sich
auf den Oberflächen des Siliciumplättchens dünne p-leitende Schichten mit hoher Fremdatomkonzentration ausbilden. Das sich
dabei ergebende Siliciumplättchen wird aus dem Quarzrohr genommen und die dünne p-leitende Schicht auf einer Oberfläche wird
mit einem bekannten Verfahren, beispielsweise durch Ätzung,
entfernt. Unter Ausnützung der verbleibenden p-1eitenden Schicht
als Diffusionsquelle werden die Fremdatome dann etwa 20 Stunden lang bei einer Temperatur von 1250° C einem Diffusionsvorgang
zum Eindiffundieren unterzogen, so dass sich die p-leitende
Basisschicht Pfi ausbildet. Ein während des Diffusionsschrittes
zum Eindiffundieren der Fremdatome gebildeter Siliciumoxid-FiIm wird teilweise mit bekannten Photoätz-Verfahren entfernt
und Phosphor wird auf diesem Teil etwa 30 Minuten lang bei
einer Temperatur von 1100° C aufgebracht, wobei als Quelle POCl, verwendet wird. Nach Entfernen des während dieses Verfahr
ens schritt es gebildeten Phosphorglases mit Flussäure bzw.
mit Fluorwasserstoffsäure, wird die η-leitende Emitterschicht
16 P
Nj, mit 6,8 χ 10 Atomen/cm ausgebildet, indem der Eindiffusion
svor gang etwa 7 Stunden lang bei 1200° C ausgeführt wird. Als nächster Schritt wird das auf diese Weise behandelte Siliciumplättchen
wieder zusammen mit Gallium in das Quarzrohr eingeschlossen und die Oberflächenkonzentration der p-leitenden
Basisschicht Pg wird erhöht. Danach wird die bei diesem Verfahrensschritt
gebildete, dünne p-leitende Schicht auf der
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- -je- -
3D
Fläche, die der Fläche gegenüber liegt, auf der sich die n-leitende
Emitterschicht NE befindet, abgeätzt und entfernt. Nunmehr
liegt ein n-p-n-Aufbau vor. Die Dicke der n-leitenden Emitterschicht beträgt 15/um, die Dicke der p-leitenden Basisschicht
beträgt 30/um und die Dicke der η-leitenden Basisschicht
beträgt 170/um. Schliesslich wird die p-leitende polykristalline Schicht 24 auf der Oberfläche ausgebildet, die
gegenüber der Fläche liegt, in der sich die η-leitende Emitterschicht befindet. Das Verfahren zzr Herstellung der polykristallinen
Schicht 24 gleicht dem Verfahren bei der Herstellung
der zuvor beschriebenen Diode, wobei eine Wasserstoffreduktion unter Verwendung von Trichlorsilan SiHCl, als Rohmaterial verwendet
wird. Die Schicht 241 wird mit einem spezifischen Widerstand von 2,5jÖ.-cm und einer Dicke von 5/um und die Schicht
wird mit einem Widerstand von 0,02Ji,-cm und einer Dicke von 20/um ausgebildet. Während der Ausbildung der polykristallinen
Schicht 24 diffundieren die die p-Leitfähigkeit ergebenden Fremdatome aus der Schicht 241 in die η-leitende Basisschicht
ein, so dass die p-leitende Emitterschicht von etwa 0,5/um
12 ? '
und 2 χ 10 Atomen/cm ausgebildet wird. Danach werden die Kethode 22, die Anode 23 und die Gate-Elektrode 25 gebildet und der Thyristor ist fertig. Die elektrischen Kennwerte für ein Fertigungsbeispiel des auf diese Weise aufgebauten und hergestellten Thyristors sehen folgendermassen aus: Die Sperrspannung in Vorwärtsrichtung betrug 1050 V, die Sperrspannung in Sperrichtung betrug 1100 V und der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung betrug bei einer Stromdichte von 100 A/cm im leitenden Zustand 0,92 V. Im Gegensatz dazu zeigte ein herkömmlicher Thyrister, bei dem die im Thyristor gemäss Fig. 5 vorgesehene polykristalline Schicht 24 nicht vorhanden war, und dessen p-leitende Emitterschicht PF mit einem spezifischen Wi-
und 2 χ 10 Atomen/cm ausgebildet wird. Danach werden die Kethode 22, die Anode 23 und die Gate-Elektrode 25 gebildet und der Thyristor ist fertig. Die elektrischen Kennwerte für ein Fertigungsbeispiel des auf diese Weise aufgebauten und hergestellten Thyristors sehen folgendermassen aus: Die Sperrspannung in Vorwärtsrichtung betrug 1050 V, die Sperrspannung in Sperrichtung betrug 1100 V und der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung betrug bei einer Stromdichte von 100 A/cm im leitenden Zustand 0,92 V. Im Gegensatz dazu zeigte ein herkömmlicher Thyrister, bei dem die im Thyristor gemäss Fig. 5 vorgesehene polykristalline Schicht 24 nicht vorhanden war, und dessen p-leitende Emitterschicht PF mit einem spezifischen Wi-
1 1I ?
derstand von 45/um und 9,1 χ 10 ^ Atomen/cm hergestellt wurden,
eine Sperrspannung in Vorwärtsrichtung von 1000 V, eine Sperrspannung in Sperrichtung von 1100 V und einen Spannungsabfall
in Vorwärtsrichtung bei einer Stromdichte von 100 ^ im leitenden Zustand von 1,09 V.
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Nachfolgend sollen die Gründe erläutert werden, weshalb ein Thyristor mit kleinem Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung erhalten
werden kann, bei dem der erfindungsgemässe Aufbau verwendet
wird.
Als erstes kann das Übergangspotential des ersten pn-Ubergangs
Jx. zwischen der p-leitenden Emitterschicht und der n-leitenden
Basisschicht dadurch klein gemacht werden, dass die gesamte Fremdatommenge pro Flächeneinheit der p-leitenden Emitter-Bchicht
klein gemacht wird. Dies aus der Tatsache heraus zu verstehen, dass der Thyristor in entsprechender Weise wie die
Diode behandelt werden kann, indem die Schicht 16 durch die p-leitende Emitterschicht in den Fig. 2 und 3i die Schicht 15
durch die η-leitende Basisschicht sowie durch die p-leitende Basisschicht, und die Schicht 14 durch die η-leitende Emitterschicht
ersetzt wird. Fig. 6 zeigt den Gesamtfremdatomgehalt Q (in Atomen/cm ) pro Flächeneinheit der p-leitenden Emitterschicht
und dem Spannungsabfall Vj, (V) in Vorwärtsrichtung,
wobei der Parameter die Summe aus der Dicke der p-leitenden Basisschicht und der η-leitenden Basisschicht ist. Aus diesem
Diagramm wird deutlich, dass dann, wenn die Summe aus den Dicken der beiden Basisschichten 400/um oder kleiner ist und
der Gesamtfremdatomgehalt Q pro Flächeneinheit der p-leitenden Emitterschicht allmählich verringert wird, der Spannungsabfall
in Vorwärtsrichtung kleiner zu werden beginnt, wenn die Grosse Q einen bestimmten Wert erreicht, und der Spannungsabfall
in Vorwärtsrichtung wird praktisch konstant, wenn die Grosse Q
weiter verkleinert wird. Der Wert der Grosse Q, bei dem sich die erfindungsgemässe Wirkung durch Verringerung der Grosse Q
zeigt, beträgt 3 x 10 Atome/cm oder darunter, wenn die Summe
15 P der beiden Basisschichten 100/um beträgt, 5 x 10 Atome/cm
oder darunter, wenn die Summe der beiden Basisschichtdicken
15 2
200^um beträgt, 1 χ 10 J Atome/cm oder darunter, wenn die Summe der beiden Basisschichtdicken 300/um beträgt, und
200^um beträgt, 1 χ 10 J Atome/cm oder darunter, wenn die Summe der beiden Basisschichtdicken 300/um beträgt, und
14 2 '
3 x 10 Atome/cm oder darunter, wenn die Summe der beiden Basisschichtdicken 400/um beträgt. Wenn die Summe der beiden
Basisschichtdicken höchstens 400/um und der Wert der Grosse Q
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Λ1\- P
höchstens 3 χ 10 Atome/cm beträgt, kann der Thyristor, der'
die erfindungsgemässe Wirkung zeigt, immer erhalten werden (jedoch sollte die Dicke nicht über 400/um hinaus geändert
werden). Wenn die Grosse Q 2 χ 101^ Atome/cm2 oder kleiner
wird, hebt sich die Verringerung der Ubergangsspannung und die Vergrösserung der Spannungsabfälle in den beiden Basisschichten
gegenseitig auf und der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung wird unabhängig von der Grosse Q. Wenn der
Thyristor in einem solchen Wertebereich der Grosse Q für die
gesamten Fremdatome hergestellt wird, ändert sich der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung auch dann praktisch nicht,
wenn sich die Grosse Q beim Herstellungsvorgang in einem bestimmten
Masse ändert. Infolgedessen kann dadurch die Reproduzierbarkeit der Kennlinien und der Kennwerte des Thyristors
verbessert werden. Es ist daher wünschenswert, die Grosse Q
zu 2 χ 10 ^ Atomen/cm oder darunter zu wählen. Wenn der Wert
der Grosse Q sehr klein gewählt wird, geht der Thyristor nicht in den leitenden Zustand über und führt nicht die Funktion
eines Schaltelementes aus. Es ist daher erforderlich, den kleinsten Wert der Grosse Q innerhalb eines Bereiches zu wählen,
in dem die Thyristorfunktion auftritt. Obwohl der Minimumwert der Grosse Q von dem Schichtwiderstand der angrenzenden Basisschicht
abhängt, beträgt der Minimumwert der Grosse Q der
Q p
p-leitenden Emitterschicht 6 χ 107 Atome/cm , wenn die Fretnd-
14 ätomkonzentration der η-leitenden Basisschicht 1,3 x 10
Atome/cnr beträgt, und ia Falle, dass die Fremdatomkonzentration
14 / 3
der η-leitenden Basisschicht 5 x 10 Atome/cnr beträgt, beträgt
der Minimumwert der Grosse Q der p-leitenden Emitter-
ΊΓ) P
schicht 2 χ 10 IU Atome/cm .
Ein Verfahren, mit dem eine gute Reproduzierbarkeit der p-leitenden
Emitterschicht, deren Gesamtfremdatomgehalt Q pro Flächeneinheit klein ist, wie dies zuvor angegeben wurde, ist
der Diffusionsvorgang, bei dem dotiertes, polykristallines Silicium, das direkt auf die zu diffundierende Tablette aufgelegt
wird, als Quelle verwendet wird. Bei Anwendung dieses Verfahrens können die Schichten 241 und 242 mit vorgegebenen
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spezifischen Widerständen und Dicken ausgebildet werden. Nachfolgend
sollen konkrete Zahlenwerte angegeben werden.
Der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung, bei dem der Thyristor
die Wirkung eines Thyristors mit niederem Spannungsabfall zeigt, und bei dem sein Gebrauchswert auftritt, ist 0,9 V oder darunter,
relativ zur Standardstromdichte der Thyristoren oder 100 A/cm
Als Untersuchungsergebnis zeigte sich, dass der spezifische Widerstand der Schicht 242 höchstens 0,1Xj1-Cm betragen darf,
um eine leitende Verbindung mit der Anodenelektrode 23 herstellen
zu können. Wenn die Dicken der Schichten 241 und 242
kleiner sind, wird der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung ebenfalls kleiner. Jedoch ergibt sich eine Grenze insofern,
als bei der Legierung oder Sinterung mit der Elektrode der pn-übergang durch die Reaktion nicht zerstört werden darf.
Als Untersuchungsergebnisse wurde im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass Thyristoren, die normale
Kennlinien und Kennwerte besitzen, auch dann erhalten werden, wenn die Schichten 241 und 242 bis herab auf 2/um dünn gemacht
werden. Daher stellt dieser Wert die untere Grenze der Summe zwischen den jeweiligen Dicken der polykristallinen Schichten
241 und 242 dar.
Nachfolgend soll die erste polykristalline Schicht 241 genauer
untersucht werden. Wenn der spezifische Widerstand dieser Schicht klein genug ist, um eine gute leitende Verbindung mit
der Elektrode herzustellen, kann die Übergangsspannung des ,
pn-übergangs nicht auf einen kleinen Wert verringert werden. Nur wenn der spezifische Widerstand der Schicht 241 grosser
als der spezifische Widerstand der polykristallinen Schicht 242 ist, kann die erfindungsgemässe Wirkung erreicht werden.
Das heisst, der Widerstandswert der ersten polykristallinen
Schicht 241 muss mindestens 0,1^-cm betragen. Die erste polykristalline
Schicht 241 wirkt nicht nur als Diffusionsquelle für die Fremdatome bei der Bildung des pn-Übergangs, sondern
dienst auch dazu, zu verhindern, dass die Fremdatome aus der zweiten polykristallinen Schicht 242 in die p-leitende, dif-
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- ar-
fundierte Zone diffundieren und sie dient auch dazu, die Fremdatomkonzentration
dieser Zone gross zu machen. Daher muss die Dicke der ersten polykristallinen Schicht 241 mindestens
0,1/um betragen.
Andererseits ist bei einem Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung
des Bauelementes bei einer Stromdichte von 100 A/cm der Spannungsabfall des übrigen Teils mit Ausnahme der Spannungsabfallkomponenten
in den Teilen, die die elektrische Verbindung bzw. den ohmschen Kontakt herstellen und in den polykristallinen
Schichten im Minimum etwa 0,65 V. Die Widerstandswerte bzw. die spezifischen Widerstände der Bereiche mit für die
elektrischen Verbindungen bzw. für den ohmschen Kontakt können gemäss dem erfindungsgemassen Aufbau auf einen vernachlässigbar
kleinen Wert vermindert werden. Damit der Thyristor die Wirkung eines Thyristors mit kleinem Verlust aufweist, ist
0,25 V der maximal zulässige Spannungsabfall in den polykristallinen
Schichten.
Wenn, wie dies bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform der
Fall ist, der spezifische Widerstand der zweiten polykristallinen Schicht 242 wesentlich kleiner gewählt als der spezifische
Widerstand der ersten polykristallinen Schicht 241 wird, fällt praktisch die gesamte Spannung von 0,25 V über der polykristallinen
Schicht 241 ab. Wenn die Dicke der Schichte 241 in diesem Falle die kleinste Dicke von 0,1/um aufweist, beträgt
der grösste spezifische Widerstand bzw. der grösste Widerstandswert, den diese Schicht aufweisen kann, 250.rt.~cm. Wenn
der spezifische Widerstand der Schicht 241 den Wert 0,1jCX-cm
aufweist, der ein kleinster Wert, bei dem die erfindungsgemässe
Wirkung erreicht werden kann, ist, steigt die Übergangsspannung an und dadurch wird der zulässige Spannungsabfall
in dieser Schicht 0,03 V· Um diese Bedingung zu erfüllen,
wird die obere Grenze der Dicke der polykristallinen Schicht
241 auf den Wert 30/um festgelegt.
Wenn der spezifische Widerstand der polykristallinen Schicht
242 Ο,ΐΛ,-cm beträgt, was den oberen Grenzwert zur Ermöglichung
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der leitenden Verbindung darstellt, wird der Spannungsabfall in dieser Schicht 0,25 V bei einer Dicke von 250/um. Wenn
der spezifische Widerstand dieser Schicht jedoch kleiner gemacht wird, kann die Dicke dieser Schicht grosser gemacht
werden. Beispielsweise kann der spezifische Widerstand bei polykristallinem Silicium leicht bis herab zu 0,001 JV-cm
verringert werden. In diesem Falle ist eine Dicke der Schicht 242 bis zu 2,5 cm zulässig. Bei üblichen Halbleiter-Bauelementen
ist eine solch grosse Dicke jedoch wirtschaftlich nachteilig und kann nicht angewendet werden. Infolgedessen kann der
obere Grenzwert der Dicke der polykristallinen Schicht 242
nicht in dem üblichen Verwendungszustand gewählt werden.
Wenn die Borkonzentration in der polykristallinen Schicht
so klein wie möglich gemacht wird, wie dies bei der vorliegenden Ausführungsform der Fall ist, um die Diffusionsmenge von
Bor in die p-leitende Emitterschicht zu verringern und um die polykristalline Schicht 242, deren Fremdatomkonzentration
grosser als die Fremdatomkonzentration der Schicht 241 ist, im Kontaktbereich mit der Anodenelektrode 23 auszubilden, kann,
was die Sperrspannung betrifft, die Ausbeute und die Stromstoss-Widerstandsfähigkeit
erhöht werden, zusätzlich zu der Wirkung einer Verringerung der Ubergangsspannung des Übergangs Jy|
und einer guten leitenden Verbindung mit der Elektrode 23.
Beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Ausbildung der p-leitenden Emitterschicht des Thyristors durch
Diffusion vom Fremdatomen aus der polykristallinen Schicht erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch bei
der Bildung der η-leitenden Emitterschicht durch Diffusion von Fremdatomen aus einer polykristallinen Schicht anwendbar.
Die in Fig. 1 und Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiele
zeigen eine Diode bzw. einen Thyristor, die jeweils zwei polykristalline Schichten aufweisen. Die erfindungsgemässen
Wirkungen treten jedoch auch auf, wenn der polykristalline Schichtbereich aus mehreren Schichten 701, 702, ... und 7On
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aufgebaut ist, deren spezifische Widerstände bzw. deren Widerstandswerte schrittweise von der Seite einer Ein- ristall·
schicht 71 zur Seite einer Elektrode 72 hin abnimmt, wie dies
in Fig. 7(a) dargestellt ist, und wenn der polykristalline Schichtbereich aus einer einzigen Schicht 73 gebildet ist,
deren spezifischer Widerstand kontinuierlich von der Seite der Ein-Kristallschicht 71 zur Elektrode 72 hin abnimmt.
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Leerseite
Claims (2)
1.y Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat, das
ein Paa auf einander gegenüberliegenden Seiten befind-. liebe Hauptoberflächen sowie ein Paar mit beiden Hauptoberflächen
des Halbleitersubstrats elektrisch verbundene Hauptelektroden aufweist, und das zwischen den Hauptoberflacheneine
erste Einkristallschicht eines einen Leitfähigkeit styp, eine zweite Einkristallschicht des einen
Leitfähigkeitstyps, die an die erste Einkristallschicht
angrenzt und einen höheren spezifischen Widerstand als die erste Einkristallschicht besitzt, sowie eine dritte
Einkristallschicht von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweist, die an die zweite Einkristallschicht angrenzt
und zwischen sich und der zweiten Einkristallschicht «inen pn-übergang bildet, dadurch gekennzeichnet
, dass die zweite Einkristallschicht (15) höchstens 30/um dick ist, eine polykristalline
Schicht (17, 18) von entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, deren spezifischer Widerstand auf der Seite der dritten
Einkristallschicht (16) höher als auf der Seite einer (3)
der Hauptelektroden (2, 3) ist, zwischen der dritten Einkristallschicht
(16) und der einen Hauptelektrode (3), die mit ihr elektrisch verbunden ist, liegt, und die dritte
Einkristallschicht (16) durch Diffusion einer den Leitfähigkeit styp dieser dritten Einkristallschicht (16)
festlegenden Fremdatomart aus der polykristallinen Schicht (17» 18) gebildet wird und einen Gesamtfremdatomgehalt
pro Flächeneinheit von 1 χ 10 bis 2 ac 10 ^ Atomen/cm
aufweist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die polykristalline Schicht (17, 18) aus einem
ersten polykristallinen Schichtteil (17), der an die dritte Einkristallschicht (16) angrenzt und einem zweiten
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ORIGINAL INSPECTED
-ge'. 27U2/.S1
polykristallinen Schichtteil (18), der an den ersten poly-, kristallinen Schichtteil (17) angrenzt, besteht, der erste
polykristalline Schichtteil (1?) 0,1 bis 30 /Um dick ist
und einen spezifischen Widerstand von 0,05 bis 250 A. -cm
aufweist, der zweite polykristalline Schichtteil (18) einen spezifischen Widerstand von höchstens 0,05 Si. -cm
aufweist und die Summe der Dicken der ersten und zweiten polykristallinen Schichtteile (17, 18) mindestens 2/um
beträgt.
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|---|---|---|---|
| 8235 | Patent refused |