DE1061446B

DE1061446B - Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Gleichrichters mit einem drei Zonen aufweisenden Halbleiterkoerper

Info

Publication number: DE1061446B
Application number: DEW18789A
Authority: DE
Inventors: Morton Bronenberg Prince
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1955-04-22
Filing date: 1956-04-05
Publication date: 1959-07-16
Also published as: US2793420A; GB842103A; FR1148115A; US2810870A; NL97268C; JPS5041852A; NL7410353A; FR2239470A1; DE1054587B; ES428916A1; CH350047A; IE39290B1; IL44951A0; US3880880A; FR1172055A; NL212349A; IL44951A; BE546514A; CA1024519A; GB818419A

Description

n\ χ*

C 3OB 3 1/0 6

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

kl. 2^g-11/02

INTERNAT. KL. H Ol 1

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT 1061446

W18789Vnic/21g

ANMELDETAG: 5. APRIL 1956

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHEIPT: 16. JULI 1959

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Silizium-Gleichrichtern, geeignet zum Betrieb bei hohen Dauerströmen, in weichen die Gleichrichtung in der Zwischenschicht von Zonen mit Material vom n- und p-Leittyp stattfindet.

Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung betrifft dabei die Herstellung eines verbesserten Silizium-Gleichrichters durch Einfügung von besonderen Merkmalen in die Gleichrichterstruktur, die es ermöglichen, in der Durchlaßrichtung den Mechanismus der an sich bereits bekannten und theoretisch untersuchten Leitfähigkeitsmodulation nutzbar zu machen.

Gleichrichter dieser Art lassen Stromstärken in der Durchlaßrichtung fließen, die um eine Größenanordnung größer sind, als sie bisher erreicht wurden.

Ein Gleichrichter, welcher eine η-leitende Schicht enthält, die an eine p-leitende Schicht angrenzt, und der mit geeigneten Verbindungen von geringem Widerstand zu jeder Schicht versehen ist, weist normalerweise einen Bereich von wesentlich größerem spezifischem Widerstand oder Widerstandswert im Vergleich mit den anderen auf, um die gewünschten Sperreigenschaften zu erzielen. Bei einem Silizium-Gleichrichter ist der Strom in Durchlaßrichtung durch den Widerstand der Schicht aus Material mit höherem Widerstandswert begrenzt. Dieser Widerstand wird durch das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung herabgesetzt, indem die Dicke dieser Schicht vermindert wird und gleichzeitig eine höhere Lebensdauer der Minderheitsladungsträger angestrebt wird. Bei einem geeigneten Verhältnis zwischen Schichtdicke und Ladungsträgerlebensdauer wird ein wesentlicher Anteil der Minderheitsladungsträger mit Hilfe der in Durchlaßrichtung vorgespannten Sperrschicht in das Gebiet mit hohem spezifischem innerem Widerstand injiziert. Dieser Stromanteil fließt dann über den gesamten Bereich. Während der Zeit, in der an der Sperrschicht eine Vorspannung in Durchlaßrichtung liegt, wird der spezifische Widerstand und effektive Widerstand dieses Bereichs durch die darin befindliehen, besonders beweglichen Ladungsträger vermindert. Je größer die Stromstärke des durch den Gleichrichter in der Durchlaßrichtung fließenden Stromes wird, desto höher wird die Dichte der beweglichen Ladungsträger sein und desto geringer wird der effektive Widerstand der Schicht mit normalerweise hohem spezifischem Widerstand sein. Eine Anordnung dieser Art, welche in dieser Weise arbeitet, weist einen Spannungsabfall in dem Gebiet mit hohem spezifischem Widerstand in der Durchlaßrichtung auf, welcher nahezu unabhängig von dem durchfließenden Strom ist.

Die Erfindung beruht zum Teil auf der Erkenntnis, daß die übliche Verminderung an Lebensdauer Minder-Verfahren zur Herstellung
eines Silizium-Gleichrichters
mit einem drei Zonen aufweisenden
Halbleiterkörper ,

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. K. Boehmert

und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte,

Bremen 1, Feldstr. 24

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. April 1955

Morton Bronenberg Prince, New Providence, N. J.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

heitsladungsträger im Silizium, die eintritt, wenn der Siliziurablock erhöhten Temperaturen unterworfen wird, bei Material, welches erhitzt wurde, und weniger ausgeprägt bei Material, welches nicht erhitzt wurde, zum Teil wieder aufgehoben werden kann, wenn es in Blöcken von einer Dicke von 0,75 mm oder weniger geformt und hohen Temperaturen unterworfen wird. Die Herstellung von Gleichrichtern aus solchen dünnen Siliziumblöcken gestattet es, dünne Schichten mit hohem Widerstandswert zu erzielen, in welchen die Lebensdauer der Minderheitsladungsträger ausreichend hoch ist, so daß der Mechanismus der Leitwertmodulation funktioniert.

Silizium-Gleichrichter der bisher bekannten Art wurden hergestellt ohne Rücksicht auf die Größe des mittleren Gebietes zwischen den Außenschichten. Es wurde bei der Herstellung der zur Zeit üblichen Silizium-Gleichrichter beobachtet, daß durch Temperaturen über 700° C hinaus die Lebensdauer der in Minderzahl "vorhandenen Ladungsträger auf 0,1 μβ oder weniger herabgesetzt wird. Die Einfügung von Ladungsträgern- in dieses Material von gerij
Lebensdauer läßt eine Rückbildung im weser
nur am Ort der Einfügung zu. Demzufolge trä

erwähnenswerte Leitfähigkeitsmodulation in den bekannten Silizium-Gleichrichtern auf.

Es wurde festgestellt, daß eine Lebensdauer der Ladungsträger von 1 oder 2 μ3 in Silizium-Gleichrichtern erreicht werden kann, wenn das Silizium Temperaturen von höchstens 1200° C ausgesetzt wird, unter der Voraussetzung, daß das Material von vornherein eine Lebensdauer von höchstens 5 με hat und wenn es weniger als 0,75 mm dick ist und auf diese hohe Temperatur erhitzt wurde als Block von weniger als 0,75 mm Dicke. Es ist weiterhin festgestellt worden, daß die Verwendung von solchen dünnen Blöcken bei der Herstellung von Silizium-Gleichrichtern, wo eine Schicht von hohem spezifischem Widerstand zwischen Schichten hoher Leitfähigkeit des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eingebettet ist, der Mechanismus der Leitfähigkeitsmodulation über die ganze Schicht eintritt und dabei die Leistungsfähigkeit des Gleichrichters erhöht.

Aus der Technik der Herstellung von Transistoren ist es bereits bekannt bei n-p-n- oder p-n-p-Transistoren die p-leitende bzw. η-leitende, als Basis dienende Mittelschicht extrem dünn auszuführen, wodurch eine Steuerung des Transistors an der an dieser dünnen Mittelschicht angeschlossenen Basiselektrode erleichtert wird.

. Weiterhin sind auch bereits n-p-n-Dioden bekannt, die jedoch nicht als Gleichrichter zu wirken vermögen, da in der Richtung von einer Außenelektrode zur anderen Außenelektrode immer eine Sperrschicht liegt. Diese bekannten Dioden werden unter Ausnutzung des Laufzeiteffektes bei der Stromleitung durch den Halbleiteraufbau als Schaltelemente mit negativem Widerstand verwendet. Aufgabe der Erfindung ist es jedoch, ein Verfahren zum Herstellen von Silizium-Geichrichtern zu schaffen, die in Sperrichtung hohe Sperrspannungen aushalten, in Durchlaßrichtung jedoch sehr hohe Ströme durchlassen und dabei von der Leitfähigkeitsmodulation Gebrauch machen.

•Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zum Herstellen einer gleichrichtenden Halbleiteranordnung mit einem drei Zonen aufweisenden Halbleiterkörper aus einkristallinem Silizium. Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterkörper aus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 bis 25Q-Cm und einer Lebensdauer der Minderheitsladungsträger ■von etwa 5 μβ mit einer Dicke von etwa 0,25 mm hergestellt, bei einer Temperatur von mehr als 750° C, beispielsweise von etwa 1200° C, während etwa 16 Stunden Phosphor auf den Oberflächen des Halbleiterkörpers eindifFundiert und dadurch eine n⁺-Ober-•fiächenschicht gebildet, diese n+-Oberflächenschicht wird bis auf die der einen Oberfläche entfernt, auf der gegenüberliegenden Oberfläche wird bei einer Temperatur von mehr als 750⁰C, beispielsweise von HOO⁰C, während etwa 2 Stunden Bor eindiffundiert und dadurch eine p+-Oberflächenschicht gebildet, in diesen n⁺- bzw. p⁺-leitenden Oberflächen wird ein spezifischer Widerstand von weniger als 1O^-3 Ω · cm erzeugt, und die mittlere Zone wird mit einer Dicke gleich oder kleiner als 0,100 mm dabei hergestellt. Vorteilhafterweise wird dabei die Dicke des Halbleiterkörpers auf 0,13 mm verringert.

Ein wesentliches Merkmal dieses so hergestellten Gleichrichters besteht darin, daß die elektrischen Eigenschaften dieses Silizium-Gleichrichters wesentlich verbessert sind. Insbesondere ist der Widerstand hi der Durchlaßrichtung stark vermindert. Weiterhin ^ä Betrag des Stromes, der in der Durchlaßrichh den neuen Gleichrichter geschickt werden

kann, etwa um eine Zehnerpotenz je Flächeneinheit größer. Die Leistungsverluste beim Stromdurchgang sind gleichzeitig vermindert worden. Außerdem ist die Abhängigkeit des Widerstandes in der Durchlaßrichtung eines Silizium-Gleichrichters von dem spezifischen Widerstand des Materials in einem wesentlichen Ausmaß beseitigt worden. Mit dem neuen Verfahren kann man nunmehr Gleichrichter großer Leistungsfähigkeit herstellen, die gute Sperreigenschaften aufweisen.

ίο Weiterhin wird durch das neue Verfahren die Herstellung von Hochleistungs-Silizium-Gleichrichtern vereinfacht.

Die Erfindung soll an Hand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 stellt einen Schnitt durch ein Gleichrichterelement senkrecht zu seinen einzelnen Schichten dar, welches gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist;

ao Fig. 2 stellt einen Schnitt durch eine vollständige Gleichrichterkonstruktion dar, welche ein Gleichrichterelement entsprechend der Fig. 1 enthält;

Fig. 3 zeigt in doppelt logarithmischer Darstellung die Strom-Spannungs-Charakteristik in Durchlaß- und Sperrichtung einer Gleichrichtereinheit gemäß Fig. 2;

Fig. 4 zeigt in kurvenmäßiger Darstellung die Beziehung zwischen der Schichtdicke des Blockes und der Lebensdauer der Minderheitsladungsträger bei Siliziummaterial von bestimmter Leitfähigkeit und Lebensdauer, welches einer Wärmebehandlung von 1100⁰C auf die Dauer von 2 Stunden unterworfen worden ist.

Ein entsprechend dem Verfahren der Erfindung hergestelltes Gleichrichterelement ist in Fig. 1 dargestellt. Es besteht aus einem plattenförmigen Siliziumkörper 11, welcher eine n-p-Übergangsschicht 12 enthält, die im wesentlichen senkrecht zur Dickenausdehnung der Platte verläuft, und zwar in der Trennebene zwischen den Gebieten 13 und 14 von entgegengesetztem Leitfähigkeitsverhalten. Das Gebiet 13, welches der Plattenoberfläche benachbart ist, wird gebildet von Material von relativ niedriger Leitfähigkeit und hat einen spezifischen Widerstand von weniger als 0,01 Ω · cm, um eine Endschicht guter Leitfähigkeit zu bilden, mit der in geeigneter Weise eine niederohmige Kontaktverbindung hergestellt werden kann. Eine zweite Endschicht 15 aus Material hoher Leitfähigkeit desselben Leitfähigkeitstyps wie die Schicht 14 schließt sich an die Sperrschicht 14 im darüberliegenden Teil des Plättchens auf der entgegengesetzten Seite der Schicht 13 an und erhält ebenfalls eine niederohmige Anschlußmöglichkeit. Mit den Außenflächen 16 und 17 der Platte 11 werden niederohmige Anschlußmöglichkeiten erhalten durch Anwendung von Überzugsschichten 18 und 19 von geeignetem Material, wie z, B. Rhodium, Zirkoniumhydrite oder Nickel. Metallische Leiter 20 und 21 können an die Schichten 18 und 19 angelötet werden, um gute Verbindungen zu dem Gleichrichterelement herzustellen. Die Sperreigenschaft des Gleichrichters ist im wesentlichen abhängig von der Art der Zwischenschicht 14. Es ist allgemein bekannt, daß der spezifische Widerstand dieser Schicht in einem weiten Maße den Rückstrom bestimmt. Die Leitfähigkeitsart des Materials in dem Gebiet 14 kann ausschließlich oder im wesentlichen auf Eigenleitung beruhen, oder aber das Material kann p-leitend oder η-leitend sein. Wenn hohe Sperrspannungen angestrebt werden, ist es vorteilhaft, zur Erzielung eines gewünschten spezifischen

Widerstandswertes η-leitendes Material zu verwenden. Weiterhin ist es bekannt, daß die Sperrspannung abhängig ist vom Verunreinigungsgrad in dieser Zone. In der Praxis weisen die Gleichrichter gemäß der Erfindung eine Ubergangszone 14 mit einem spezifischen Widerstand größer als 0,1 Ω · cm auf.

Der Widerstand der zwischen den Übergangsschichten 18 und 19 liegenden, halbleitenden Zone 14 war bisher in Silizium-Gleichrichtern beachtlich groß, da diese Zone 0,50 bis 0,75 mm dick und die Lebensdauer der Minderheitsträger kleiner als 0,1 war. In den Gleichrichtern gemäß vorliegender Erfindung ist die Dicke dieser Schicht vermindert und gleichzeitig eine höhere Lebensdauer der Minderheitsträger erzielt worden, so daß ein wesentlicher Teil der Ladungsträger die Zwischenschicht durchdringt, bevor eine Rekombination eintritt. Wenn mit hohen Stromstärken, nämlich als Leitungsgleichrichter gearbeitet wird, kann dieses Eindringen der Ladungsträger einer Kombination von Diffusion und Einströmung zugeschrieben werden. Die Dicke der Zwischenschicht 14 bei Strömen in Durchlaßrichtung in der Größe von Hunderten von Ampere pro cm² kann das Mehrfache des mittleren Abstandes betragen. Wenn ein Minderheitsladungsträger von dem in Durchlaßrichtung vorge- spannten n-p-Übergang eindringen_will, dann ist die Diffusionslänge L, welche als ^dt definiert werden kann, wobei D die Diffusionskonstante eines Loches in η-leitendem Material (etwa 25 cm²/sec) oder eines Elektrons in p-leitendem Material (etwa lOcmVsec) und t die zugehörige Lebensdauer ist. In der Praxis hat man gefunden, daß Silizium-Gleichrichter gemäß der vorliegenden Erfindung, welche eine Schicht 14 hohen Widerstandes haben, ausgehend von einer Dicke größer als 0,1 mm bis herab zu einem Abstand, welcher das Raumladungsgebiet in der in Sperrichtung vorgespannten Schicht überschreitet, in der Durchlaßrichtung mit einem Widerstandsanteil in diesem Gebiet arbeiten, der so klein ist, daß er im wesentlichen vernachlässigt werden kann.

Diese Erscheinung eines geringen Widerstandes in Durchlaßrichtung ist typisch für die Leitfähigkeitsmodulation. Wird ein Gleichrichteraufbau vorausgesetzt, bei welchem die Zone 13 n⁺-leitend, die Schicht 14 dünn und p-leitend und die Zone 15 p⁺-leitend ist, dann werden Elektronen von der stark besetzten n⁺-Zone in die nur schwach besetzte p-Schicht hineingedrückt, wenn der Gleichrichter in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Wenn die Lebensdauer für diese Elektronen in dem p-leitenden Bereich groß genug ist, dann werden die Elektronen durch die p-leitende Schicht hindurchtreten und die p⁺-leitende Zone bei geringer Rekombination erreichen. Zum Erreichen der elektrischen Neutralität werden Löcher (Fehlstellen) von der p⁺-leitenden Zone in den p-leitenden Bereich hineingedrückt. Diese besonders beweglichen Ladungsträger (beides: Elektronen und Löcher) vermindern den effektiven Widerstand der p-leitenden Schicht, wodurch wiederum der Spannungsabfall in dieser Schicht vermindert wird. Je größer die Stromstärke, desto größer ist die Dichte der injizierten beweglichen Ladungsträger. Daraus ergibt sich, daß, je größer der Bereich (Tiefenbereich) ist, in welchem Leitfähigkeitsmodulation beobachtet wird, der effektive Widerstand in diesem Gebiet um so geringer ist. Dadurch ist der Spannungsabfall in der p-leitenden Schicht immer vom Strom unabhängig. Im Hinblick auf den bipolaren Charakter der Leitfähigkeitsmodulation in dem Gebiet hohen spezifischen Widerstandes des Gleichrichters müssen die Diffusionskonstanten beider Arten von Ladungsträgern, nämlich von Elektronen und von Löchern, unter Berücksichtigung der Schichtdicke beachtet werden, welche moduliert werden kann. Eine mittlere Diffusionskonstante im Werte von 17 cm²/sec ist zur Berechnung dieses Mechanismus anwendbar. Die Diffusionslänge ist die mittlere Entfernung längs einer gegebenen Richtung, in welcher ein Ladungsträger diffundiert, bevor es zur Rekombination kommt. Demgemäß wird bei einer höheren Dichte der eindringenden Ladungsträger die Zunahme der Ladungsträger sich in einer Leitfähigkeitsmodulation über mehrere Diffusionslängen auswirken. Die Länge von bipolaren Ladungsträgerdiffusionen kann aus der Lebensdauer der Ladungsträger, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, bestimmt werden. Wenn ein 0,1 mm dickes Siliziumplättchen gemäß der Erfindung hergestellt worden ist, ergibt die Lebensdauer von 2 μβ eine Diffusionslänge von

]/Ϊ7 · 2 · ΙΟ-⁶ = 5,8 · IO-³ cm = 0,058 mm.

Dabei wird eine Leitfähigkeitsmodulation über einen Tiefenbereich von 0,075 mm oder IV3 Länge der bipolaren Diffusion erreicht. In einem anderen Fall bei höheren Durchlaßströmen, beispielsweise bei 20 bis 50 Amp./cm², wurde bei einer Siliziumplatte von 0,15 mm, welche eine Lebensdauer von 1,4 μβ und eine Diffusionslänge von etwa 0,0483 mm für bipolare Diffusion hat, bei Stromstärken von etwa 20 bis 50 Amp./cm² in einer Schicht von hohem spezifischem Widerstand über einen Bereich von 0,10 mm Dicke oder einer Schicht größer als zwei Diffusionslängen Leitfähigkeitsmodulation erzielt. Bei noch höheren Stromstärken von mehreren 100 Amp./cm² wurde ein noch höheres Ausmaß von Leitfähigkeitsmodulation beobachtet, und noch dickere Schichten von hohen spezifischen Widerständen konnten in der angegebenen Weise moduliert werden. Jedoch muß daran erinnert werden, daß dieser Mechanismus davon abhängt, daß eine ausreichend hohe Lebensdauer der Ladungsträger in dem Material aufrechterhalten wird und daß daher auch bei diesen hohen Stromdichten die Dicke des Gleichrichters begrenzt ist, wie schon erwähnt wurde.

Eine spezielle Ausführungsform eines Gleichrichters, welcher gemäß der Erfindung hergestellt ist, zeigt Fig. 2. Das Gleichrichterelement, wie in Fig. 1 dargestellt, hat eine Dicke von etwa 0,114 mm und eine quadratische Oberfläche mit einer Seitenlänge von 7,54 mm. Das Siliziumplättchen enthält eine Zwischenschicht 14 von p-Typ mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 25 Ω · cm über eine Dicke von 0,063 mm. Daran schließt sich auf der einen Seite ein Gebiet 13 vom η-Typ, welches etwa eine Dicke von 0,037 mm hat und an seiner äußeren Oberfläche 16 einen spezifischen Widerstand von weniger als 0,01 Ω · cm aufweist. Auf der anderen Seite der Zwischenschicht 14 liegt ein Gebiet vom p-Typ mit einer Dicke von ungefähr 0,013 mm, welches an seiner Oberfläche 17 einen spezifischen Widerstand von weniger als 0,01 Ω · cm hat.

Die Überzugsschichten 18 und 19 auf den Außengebieten 13 und 15 bestehen aus Nickel. Auf diese Schichten sind Zuführungen mit Hilfe eines Lötmittels mit einem Schmelzpunkt von 310° C angelötet. Das Lötmittel enthält l*/o Zinn. Die Zuführungen selbst bestehen aus Kupferdrähten 20 mit einem Durchmesser von 0,813 mm. Die Zuführung 21 besteht aus einer Kupferschicht, welche plattiert oder in anderer Weise auf einem massiven Stahlbolzen 22 aufgebracht ist. Dieser Bolzen 22 dient zur Ableitung der Wärme

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aus dem Siliziumkörper und kann an einer äußeren werden, der bei Atmosphären druck mit einer Ge-

Metallgrundplatte befestigt sein, welche als Kühl- schwindigkeit von 1000 cm³/Min. zugeführt wird. Für

körper wirkt. ¹Is. Minute wird Bortrichlorid in einem Verhältnis von

Der Bolzen 22, welcher in seinem oberen Teil eine 25 cm³/Min. zugemischt. Wenn diese gasförmige Mi-Einbuchtung 23 aufweist, dient zusammen mit einem 5 schung über die Plättchen strömt, während gleich-Hohlzylinder 24, welcher mit einem Flansch 25 an zeitig die Temperatur auf 1100° C gehalten wird, zerden oberen Teil 23 des Bolzens 22 geschweißt oder setzt sich das Bortrichlorid, und Bor schlägt sich gelötet ist, zur Aufnahme des Gleichrichterelementes. nieder. Dieser Verfahrensschritt dauert etwa 2 Stun-Zum Schutz des Gleichrichterelementes gegen äußere den, bis das Bor in die p-leitende Schicht eindringt. Einflüsse ist die Einführung des Anschlußleiters 20 io Die Plättchen werden dann in einer Zeitspanne von in den oberen Hohlzylinder 24 mit Hilfe eines Glas- 10 Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt, in dem flusses 26 abgeschlossen. sie schrittweise an kühlere Stellen des Ofens ge-

Die Durchlaß- und Sperrstromcharakteristik des bracht werden. Dabei ergibt sich eine p-leitende

Gleichrichters ist für eine Betriebstemperatur von Schicht von etwa 0,013 mm Dicke mit hoher Leit-

25° C in den Kurven A und B der Fig. 3 dargestellt. 15 fähigkeit, welche sich bis in die p-leitende Oberfläche

Ähnliche Kurven ergeben sich, wenn bei einer Betriebs- erstreckt und einen Gradienten der im Überschuß vor-

temperatur von 125° C gearbeitet wird; sie sind in handenen Acceptoren aufweist, ähnlich dem Gradien-

Fig. 3 mit C und D bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß ten im Donatorenüberschuß in der η-leitenden Ober-

bei 25° C Arbeitstemperatur mehr als 30 Amp. in fiächenschicht, wobei die Oberfläche der Schicht die

Durchlaßrichtung fließen, wenn 1-Volt-Spannung an 20 höchste Leitfähigkeit von etwa von 1000 Ω"¹ · cm—¹

den Gleichrichter gelegt wird. Ein Gleichrichter von aufweist. Dieser Diffusionsprozeß ist für die Ober-

dieser Art und den genannten Dimensionen hat einen fiächenschicht hoher η-Leitfähigkeit auf der entgegen-

Durchlaßstrom von 10 Amp. mehrere 1000 Stunden gesetzten Seite des Plättchens unschädlich. Der Phos-

ausgehalten. In der Sperrichtung wurde mit dem phor wirkt dort als eine Art Schutzmaske, die das

Gleichrichter eine Durchbruchsspannung (Spitzen- 25 Eindringen von Bor in das Silizium verhindert,

spannung) von 300 Volt erreicht. Dieses Herstellungsverfahren zeigt ein unerwarte-

Das Gleichrichterelement, dessen Kennlinien in tes Ergebnis, welches auf Grund von früheren Erfah-Fig. 3 dargestellt sind, ist durch Aufspalten eines rungen bei der Behandlung von Siliziumkörpern nicht Silizium-Einkristalls vom p-Leitfähigkeitstyp mit vorausgesagt werden konnte. Insbesondere wird dabei 25 Ω · cm Widerstandswert und einer Lebensdauer 30 die Lebensdauer der Minderheitsladungsträger in der der Minderheitsladungsträger von 20 μβ hergestellt Zwischenschicht von höherem spezifischem Widerworden. Die Aufspaltung erfolgt in Scheiben von etwa stand beachtlich erhöht. Das Maß dieser Erhöhung 0,254 bzw. 0,305 mm Dicke. Die Oberfläche dieser hängt von der Dicke des Siliziumkörpers, der der Scheiben wird beispielsweise mit einem feingepulver- Wärmebehandlung unterworfen war, und der anfängten Aluminiumoxyd geläppt. In die Oberfläche der 35 liehen Lebensdauer der Minderheitsladungsträger in Plättchen wird dann bis zu einer Tiefe von etwa dem Körper ab. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, kann bei 0,037 mm Phosphor einlegiert. Durch Erhitzen von der Herstellung von einem p-leitenden Siliziumkörper Phosphor-Pentoxyd-Pulver auf 175° C wird eine mit einem spezifischen Widerstand von 25 Ω · cm und Phosphor-Pentoxyd-Atmosphäre geschaffen. Die sich einer Lebensdauer der Minderheitsladungsträger von entwickelnden Dämpfe werden mit reinem trockenem 40 20 με, wie sie von einem gezogenen und in der bisher Stickstoff bei Atmosphärendruck, der mit etwa bekannten Weise behandelten Kristall zu erwarten 1000cm³/Min. zufließt, gemischt. Die Plättchen wer- sind, ausgegangen werden. Es kann bei der Verjünden in dieser Mischung bei einer Temperatur von gung der Ladungsträger von weniger als 0,2 με aus-1200° C für eine Zeit von 16 Stunden gehalten. gegangen werden. Dabei stellen 0,2 μβ die Grenze der

Die Oberfläche der so hergestellten Plättchen ist in 45 Meßmöglichkeit im vorliegenden Falle dar.

η-leitendes Silizium umgewandelt. Dabei tritt auf Die durch die thermische Behandlung des Siliziums

Grund der Phosphordiffusion ein Überschuß an Dona- verringerte Lebensdauer der Minderheitsladungsträger

toren auf. In den oberen Schichten nimmt die Phos- kann wieder durch Verminderung der Dicke des SiIi-

phorkonzentration, die an der Oberfläche ein Maxi- ziumblockes auf weniger als 0,25 mm durch Erhitzen

mum hat, ab. Dort ist die Konzentration so groß, daß 50 im Höchstfall auf 750° C ohne Anwendung einer

der Halbleiter entartet und in manchen Fällen schließ- Diffusionsstufe erhöht werden. Weiterhin kann die

lieh eine Leitfähigkeit von 1000 Ω— ¹ · cm—¹ hat. durch thermische Einwirkung verminderte Lebens-

Die unveränderte, in der Mitte liegende p-leitende dauer durch Verringerung der Dicke des Silizium-Schicht ist über 0,175 mm dick. Infolge der hohen blockes vor der Erhitzung auf 750° C begrenzt wer-Temperaturen, welcher der Siliziumkörper unter- 55 den. Dabei ist die Verminderung der Dicke nach der worfen worden ist, nimmt die Lebensdauer der Min- Wärmebehandlung nicht notwendig. In den Fällen, derheitsladungsträger (Elektronen) in diesem Gebiet wo aus anderen Gründen nur eine Wärmebehandlung bis auf weniger als 0,1 με ab. angewendet wird, entfällt die zweite Wärmebehand-

Der nächste Verfahrensschritt bei der Herstellung lung.

ist die Verminderung der Dicke auf 0,114 mm, bei- 60 Wie aus der Kurve gemäß Fig. 4 ersichtlich ist,

spielsweise durch Abschaben des Materials von einer besteht eine gegenläufige Beziehung zwischen der

Fläche des Plättchens. Von dieser Dicke entfallen Dicke des Siliziumkörpers und der Lebensdauer der

0,038 mm auf eine mit Phosphor angereicherte Schicht Minderheitsladungsträger, welche bei Blöcken von

auf der einen Seite und eine 0,076 mm dicke p-leitende weniger als 0,25 mm Dicke in Erscheinung tritt. Eine

Schicht auf der entgegengesetzten Seite des Platt- 65 Erhöhung der Lebensdauer wird auf diese Weise

chens. Durch Einwirkung von Bor wird auf der letzt- nebenbei verwirklicht, wenn die dünner gemachten

genannten Seite ein stark p⁺-leitender Oberflächen- Siliziumblöcke einer Wärmebehandlung wegen der

film hoher Konzentration erzeugt. Diese Bordiffusion Bordiffusion unterworfen werden. Das Anwachsen der

kann durch Erhitzen des Plättchens auf eine Tempe- Lebensdauer zusammen mit den hohen Stromstärken

ratur von etwa 1100° C in Stickstoff durchgeführt 70 während der Durchlaßzeit des Gleichrichters und der

Dicke der wirksamen Zwischenschicht (Sperrschicht) resultiert aus der Leitfähigkeitsmodulation dieser Schicht, und dadurch steigt die Leistungsfähigkeit des Gleichrichters um eine Größenordnung.

Wenn der Gleichrichter bei Temperaturen bis zu 200° C arbeiten soll, dann werden die Anschlußleitungen 20 und 21 für die Nickelüberzüge 18 und 19 durch ein Lötmittel befestigt, welches einen Schmelzpunkt bei 310° C hat. Dieses Lötmittel kann mit oder ohne Kolophonium-Flußmittel angewendet werden.

Bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird die Gleichrichtereinheit durch Aufbringung des Hohlzylinders 24, welcher durch einen Glasfuß 26 und ein Metallröhrchen 27 abgeschlossen ist, vervollständigt, indem man den Leiter 20 durch das Röhrchen hindurchführt und den Flansch des Hohlzylinders auf dem oberen Rand 23 des Bolzens 23 festlötet. Der Leiter 20 wird in dem Röhrchen 27 durch einen Klemm- und Lötprozeß befestigt.

Es soll betont werden, daß die beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele für die Durchführung des Prinzips der Erfindung darstellen. Zahlreiche andere Arten von Technik und Anordnungen können angewendet werden, ohne daß von dem Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise können in das Silizium andere Stoffe als Phosphor diffundiert werden, um Akzeptoren zu erzielen. Solche Stoffe sind z. B. Arsen, Antimon und Wismut. Zur Erzielung von Donatoren kann Aluminium, Gallium, Indium und Lithium angewendet werden. Wenn auch im vorliegenden Falle im wesentlichen Schichtdicken von 0,127 mm oder weniger erwähnt sind, so soll die Erfindung nicht darauf beschränkt sein. Es ist möglich, dickere Siliziumkörper anzuwenden und dickere Endschichten zuzulassen, wobei die Tiefe der Zwiselenschicht mit hoher Leitfähigkeit in der Weise begrenzt ist, daß darin noch eine Leitfähigkeitsmodulation auftreten kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer gleichrichtenden Halbleiteranordnung mit einem drei Zonen aufweisenden Halbleiterkörper aus einkristallinem Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper aus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 bis 25 Ω · cm und einer Lebensdauer der Minderheitsladungsträger von etwa 5 με mit einer Dicke von etwa 0,25 mm hergestellt wird, daß bei einer Temperatur von mehr als 750° C, beispielsweise von etwa 1200° C, während etwa 16 Stunden Phosphor auf den Oberflächen des HalbleiterköfpeTf Shdifiundiert und dadurch eine n⁺-Oberflächenschicn'f gebiTcTet wird, daß diese n+'Oberflachenschicht bis auf die der einen Oberfläche entfernt wird, daß auf der gegenüberliegenden Oberfläche bei einer Temperatur von mehr als 750° C, beispielsweise von 1100° C, während etwa 2 Stunden Bor eindiffundiert und dadurch eine p+^Oberflächenschicht gebildet wird, daß in diesen n⁺- bzw. p+-leitenden Oberflächenschichten ein spezifischer Widerstand von weniger als 10~³ Ω · cm erzeugt wird und daß die mittlere Zone mit einer Dicke gleich oder kleiner als 0,100 mm dabei hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Halbleiterkörpers auf 0,13 mm verringert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 814487;
Proc IRE, Bd. 40, 1952, S. 1312 und 1512 bis 1518.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909 577/338 7.59