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Hintergrund
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Gebiet
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Ausführungsformen beziehen sich auf das Gebiet von Schaltkreis-Schutzbauelementen einschließlich Sicherungs-Bauelementen.
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Diskussion verwandten Fachgebiets
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Halbleiterbauelemente wie transiente Spannungsunterdrückung-(TVS)-Bauelemente können als einseitig gerichtete Bauelemente oder als zweiseitig gerichtete Bauelemente hergestellt werden. In dem Fall von zweiseitig gerichteten Bauelementen, kann ein erstes Bauelement auf einer ersten Seite einer Halbleiter-Platte bzw. eines Halbleiter-Plättchens (Chip) hergestellt werden, während ein zweites Bauelement auf einer zweiten Seite der Halbleiterplatte hergestellt werden kann. Zweiseitig gerichtete Bauelemente können symmetrische Bauelemente, wo das erste Bauelement und das zweite Bauelement die gleichen sind, ebenso wie asymmetrische Bauelemente enthalten, wo das erste Bauelement und das zweite Bauelement sich in ihren Eigenschaften unterscheiden.
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Während derartige zweiseitig gerichtete Bauelemente einige Flexibilität beim unabhängigen Auslegen elektrischer Eigenschaften der unterschiedlichen Bauelemente auf unterschiedlichen Seiten einer Halbleiterplatte bereitstellen, kann die Einkapselung derartiger Bauelemente relativ komplex sein.
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Mit Bezug auf diese und andere Überlegungen wird die vorliegende Offenbarung bereitgestellt.
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Zusammenfassung
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Beispielhafte Ausführungsformen sind auf verbesserte TVS-Bauelemente und Techniken zur Bildung von TVS-Bauelementen gerichtet.
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In einer Ausführungsform kann ein transientes Spannungsunterdrückungs-(TVS)-Bauelement enthalten: eine in einem Substrat gebildete Substratbasis, wobei die Substratbasis einen Halbleiter eines ersten Leitungstyps umfasst, und eine eine erste Dicke umfassende und auf der Substratbasis auf einer ersten Seite des Substrats angeordnete Epitaxieschicht. Die Epitaxieschicht kann einen ersten Epitaxieabschnitt, wobei der erste Epitaxieabschnitt eine erste Dicke umfasst und von einem Halbleiter eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet wird, und einen zweiten Epitaxieabschnitt enthalten, wobei der zweite Epitaxieabschnitt einen oberen Bereich, welcher obere Bereich von einem zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet wird, umfasst und eine zweite Dicke aufweist, die geringer als die erste Dicke ist. Ein vergrabener Diffusionsbereich kann in einem unteren Abschnitt der Epitaxieschicht in dem zweiten Epitaxiebereich angeordnet sein, wobei der vergrabene Diffusionsbereich von einem Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildet wird, wobei der erste Abschnitt elektrisch von dem oberen Bereich des zweiten Abschnitts isoliert ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine transiente Spannungsunterdrückungs-(TVS)-Bauelementeinheit ein TVS-Bauelement enthalten, wo das TVS-Bauelement eine in einem Substrat gebildete Substratbasis umfasst. Die Substratbasis kann einen Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine eine erste Dicke umfassende und auf der Substratbasis auf einer ersten Seite des Substrats angeordnete Epitaxieschicht enthalten. Die Epitaxieschicht kann weiter einen ersten Epitaxieabschnitt, wobei der erste Epitaxieabschnitt die erste Dicke umfasst und von einem Halbleiter eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet wird, einen zweiten Epitaxieabschnitt, wobei der zweite Epitaxieabschnitt einen oberen Bereich, welcher obere Bereich von einem zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet wird, umfasst und eine zweite Dicke aufweist, die geringer als die erste Dicke ist, enthalten, wobei ein vergrabener Diffusionsbereich in einem unteren Bereich der Epitaxieschicht in dem zweiten Epitaxieabschnitt angeordnet ist, wobei der vergrabene Diffusionsbereich von einem Halbleiter des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet wird. Die TVS-Bauelementeinheit kann weiter einen Leitungsrahmen enthalten, wobei der Leitungsrahmen mit dem TVS-Bauelement auf der ersten Seite des Substrats verbunden ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein Verfahren ein Bereitstellen eines Substrats mit einer Basisschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps und ein Bilden einer Epitaxieschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf der Basisschicht enthalten, wobei die Epitaxieschicht auf einer ersten Seite des Substrats angeordnet ist und eine erste Dicke aufweist. Das Verfahren kann weiter ein Bilden eines ersten Epitaxieabschnitts und eines zweiten Epitaxieabschnitts innerhalb der Epitaxieschicht enthalten, wobei der erste Epitaxieabschnitt elektrisch von dem zweiten Epitaxieabschnitt isoliert ist. Das Verfahren kann ein Bilden eines vergrabenen Diffusionsbereichs in dem zweiten Epitaxieabschnitt enthalten, wobei sich der vergrabene Diffusionsbereich wenigstens zu einer Zwischenschicht zwischen der Epitaxieschicht und der Substratbasis erstreckt, wobei der vergrabene Diffusionsbereich den ersten Leitfähigkeitstyp umfasst, wobei der vergrabene Diffusionsbereich einen oberen Bereich des zweiten Epitaxieabschnitts definiert, wobei der obere Bereich den zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst und eine zweite Dicke aufweist, die geringer als die erste Dicke ist.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht ein TVS-Bauelement gemäß Ausführungsformen der Offenbarung,
- 2 veranschaulicht eine TVS-Bauelementeinheit gemäß anderen Ausführungsformen der Offenbarung und
- 3 stellt einen beispielhaften Verfahrensablauf gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die vorliegenden Ausführungsformen werden nun hiernach ausführlicher mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen beispielhafte Ausführungsformen gezeigt sind, beschrieben werden. Die Ausführungsformen sind nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt aufzufassen. Diese Ausführungsformen sind vielmehr vorgesehen, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig wird und ihr Umfang den Fachleuten voll vermittelt werden wird. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiche Elemente.
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In der folgenden Beschreibung und/oder den Patentansprüchen können die Ausdrücke „auf“, „darüberliegend“, „angeordnet auf“ und „über“ in der nachfolgenden Beschreibung und den Patentansprüchen benutzt werden. „Auf“, „darüberliegend“, „angeordnet auf“ und „über“ können benutzt werden, um anzuzeigen, dass sich zwei oder mehrere Elemente in direktem körperlichen Kontakt miteinander befinden. Ebenso können die Ausdrücke „auf“, „darüberliegend“, „angeordnet auf“ und „über“ bedeuten, dass zwei oder mehrere Elemente nicht in direktem Kontakt miteinander sind. Zum Beispiel kann „über“ bedeuten, dass ein Element über einem anderen Element ist, während sie einander nicht berühren und ein anderes Element oder Elemente zwischen den zwei Elementen aufweisen können.
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In verschiedenen Ausführungsformen sind neue Bauelement-Strukturen und Techniken zur Bildung eines zweiseitig gerichteten TVS-Bauelements vorgesehen.
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1 veranschaulicht ein TVS-Bauelement 100 gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Das TVS-Bauelement 100 kann eine in dem Substrat 101 gebildete Substratbasis 102 enthalten. Die Substratbasis 102 kann von einem Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps wie einem p-Typ-Halbleiter gebildet werden. Das TVS-Bauelement 100 kann weiter eine auf der Substratbasis 102 auf einer ersten Seite des Substrats 100 (Oberseite in 1) wie gezeigt angeordnete Epitaxieschicht 104 enthalten. Die Epitaxieschicht 104 kann von einem Halbleiter eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet werden. Zum Beispiel kann die Epitaxieschicht n-Typ-Silizium sein, wenn die Substratbasis 102 p-Typ-Silizium ist. Zum Beispiel kann die Epitaxieschicht p-Typ-Silizium sein, wenn die Substratbasis 102 n-Typ-Silizium ist. Derart kann ein p-n-Übergang an der Grenzfläche 124 zwischen der Substratbasis und der Epitaxieschicht 104 gebildet sein. Die Epitaxieschicht 104 kann weiter einen ersten Epitaxieabschnitt 106 und einen zweiten Epitaxieabschnitt 108 umfassen. Wie gezeigt sind der erste Epitaxieabschnitt 106 und der zweite Epitaxieabschnitt 108 auf einer ersten Seite des Substrats 101 angeordnet. Der erste Epitaxieabschnitt 106 ist elektrisch von dem zweiten Epitaxieabschnitt 108 kraft einer Isolationsstruktur 110 isoliert. Wie gezeigt erstreckt sich die Isolationsstruktur 110 von der Oberfläche der ersten Seite des Substrats 101 in die Substratbasis 102. Die Isolationsstruktur 110 kann auf bekannte Weise wie unter Benutzung eines Grabenisolators gebildet sein.
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Als solcher bildet der erste Epitaxieabschnitt 106 eine erste Diode 118 in Verbindung mit der Substratbasis 102. Als solcher bildet der zweite Epitaxieabschnitt 108 in Verbindung mit der Substratbasis 102 eine zweite Diode 120. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung unterscheidet sich die erste Diode 118 von der zweiten Diode 120 in einer Durchbruchspannung oder einer Kombination von Durchbruchspannung und Leistungskapazität. Zum Beispiel wie nachfolgend eingehend erläutert kann die Durchbruchspannung des zweiten Epitaxieabschnitts 108 im Vergleich zu der Durchbruchspannung des ersten Epitaxieabschnitts 106 vermöge eines oberen Bereichs 132 des zweiten Epitaxieabschnitts 108 der Epitaxieschicht 104 mit einer relativ geringeren Dicke im Vergleich zu dem ersten Epitaxieabschnitt 106 geringer sein. Zum Beispiel kann die erste Schichtdicke des ersten Epitaxieabschnitts 106 zwischen 20 µm und 80 µm in einigen Ausführungsformen sein, während die Dicke des oberen Bereichs 132 für eine gegebene erste Schichtdicke des ersten Epitaxieabschnitts 106 geringer als die gegebene erste Schichtdicke sein kann.
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Wie weiter in 1 gezeigt sind die innerhalb des Substrats 101 gebildeten erste und zweite Diode 118, 120 elektrisch in Reihe in einer Anode-zu-Anode-Konfiguration angeordnet. Die jeweiligen Kathoden der ersten Diode 118 und der zweiten Diode 120 können elektrisch durch einen auf der ersten Seite des Substrats 101 gebildeten Kontakt 114 beziehungsweise einen Kontakt 116 kontaktiert sein. Als solches kann das TVS-Bauelement 100 ein asymmetrisch einseitiges, zweiseitig gerichtetes Bauelement bilden, wo beiden Dioden auf der gleichen Seite des Substrats 101 gebildet werden.
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Der Grad an Spannungs-Asymmetrie zwischen der ersten Diode 118 und der zweiten Diode 120 kann durch ein Einstellen der relativen Dicke der ersten Schichtdicke des ersten Epitaxieabschnitts 106 im Vergleich zu der zweiten Schichtdicke des zweiten Epitaxieabschnitts 108 festgelegt sein. Zum Beispiel wird die Epitaxieschicht 104 in verschiedenen Ausführungsformen anfänglich als eine Deckschicht auf der Substratbasis 102 gebildet, damit das Dotierstoffniveau eines Dotierstoffs einer ersten Leitfähigkeit das gleiche in der Epitaxieschicht 104 in unterschiedlichen Bereichen innerhalb der X-Y Ebene wie in dem ersten Epitaxieabschnitt 106 und dem zweiten Epitaxieabschnitt 108 ist. Während der erste Epitaxieabschnitt 106 nach der anfänglichen Bildung der Epitaxieschicht 104 mit einer einheitlichen Dicke unverändert bleiben kann, kann der zweite Epitaxieabschnitt 108 der Epitaxieschicht 104 selektiv auf eine Weise behandelt werden, um die Dicke des Abschnitts der Epitaxieschicht 104, die den Dotierstoff des ersten Leitfähigkeitstyps des zweiten Epitaxieabschnitts 108 aufweist, zu reduzieren. Insbesondere kann ein vergrabener Diffusionsbereich 112 in dem Bereich zwischen der Substratbasis 102 und der Epitaxieschicht 104 gebildet werden.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann der vergrabene Diffusionsbereich 112 in unterschiedlichen Prozessen gebildet werden. In einem Beispiel kann der vergrabene Diffusionsbereich 112 durch Ionenimplantation mit einer geeigneten Ionenenergie und Ionendosis gebildet werden. Das Vorhandensein des vergrabenen Diffusionsbereiches 112 reduziert die Dicke des Abschnitts des zweiten Epitaxieabschnitts 108 eines ersten Leitfähigkeitstyps im Vergleich zu der Dicke des ersten Epitaxieabschnitts 106 mit dem ersten Leitfähigkeitstyp wirksam. In dem Fall, wo die Epitaxieschicht 104 n-dotiert ist, wird die Dicke der Epitaxieschicht 104 mit einer n-Typ-Leitfähigkeit durch ein Platzieren eines p-Typ-Dotierstoffbereichs (vergrabener Diffusionsbereich 112) in den unteren Abschnitt der Epitaxieschicht 104 in dem zweiten Epitaxiebereich 108 reduziert werden. Zum Beispiel wird der Ort des p-n-Übergangs von der Grenzfläche 124 der Substratbasis 102 und der Epitaxieschicht 104 (siehe ersten Epitaxieabschnitt 106) auf die Grenzfläche zwischen der Epitaxieschicht 104 und dem vergrabenen Diffusionsbereich 112, gezeigt als Grenzfläche 126, verschoben. Anders gesagt enthält der zweite Epitaxieabschnitt 108 wie in 1 gezeigt einen oberen Bereich 132, der von dem zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet wird, und einen unteren, von einem ersten Leitfähigkeitstyp vermöge der Bildung des vergrabenen Diffusionsbereichs 112 gebildeten Bereich 134.
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Insbesondere kann der vergrabene Diffusionsbereich 112 einen p-Dotierstoff mit einer p-Dotierstoffkonzentration umfassen, wobei die Epitaxieschicht 104 einen n-Dotierstoff mit einer n-Dotierstoffkonzentration umfasst, wobei die p-Dotierstoffkonzentration größer als die n-Dotierstoffkonzentration ist. Anders gesagt kann der vergrabene Diffusionsbereich 112 ein gegendotierter Bereich innerhalb der Epitaxieschicht 104 sein, wo vermöge der die ursprüngliche n-Dotierstoffkonzentration der Epitaxieschicht 104 übersteigenden Dotierstoffkonzentration der gegendotierte Bereich eine p-Typ-Leitfähigkeit aufweist.
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Natürlich kann der vergrabene Diffusionsbereich 112 bis zur Überlappung mit der Substratbasis 102 die p-Konzentration der Substratbasis 102 lokal erhöhen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der vergrabene Diffusionsbereich 112 noch stärker dotiert sein als die Substratbasis 102. Mit anderen Worten kann der vergrabene Diffusionsbereich 112 ein erstes Dotierstoff-Konzentrationsniveau umfassen, wobei die Substratbasis 102 ein zweites Dotierstoff-Konzentrationsniveau umfasst, das kleiner als das erste Dotierstoff-Konzentrationsniveau ist.
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In einigen Beispielen gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der Offenbarung kann die erste Diode 118 eine Durchbruchspannung aufweisen, die wesentlich größer als die Durchbruchspannung der zweiten Diode 120 ist. Zum Beispiel kann die erste Diode eine Durchbruchspannung von 300 V oder größer aufweisen und die zweite Diode 120 kann eine Durchbruchspannung von 100 V oder weniger aufweisen. Die absoluten Durchbruchspannungen der ersten Diode 118 und der zweiten Diode 120 wie auch der Grad der Durchbruchspannungs-Asymmetrie (die Durchbruchsspannung-Differenz zwischen der ersten Diode 118 und der zweiten Diode 120) kann durch Einstellen der Dicke der Epitaxieschicht 104, der Dotierstoffkonzentration der Epitaxieschicht 104, der Dotierstoffkonzentration in dem vergrabenen Diffusionsbereich 112 und anderer Faktoren eingestellt werden. Wenn die erste Diode 118 mit einer ersten Schichtdicke von 60 µm und einer Durchbruchspannung von 600 V gebildet ist, kann die zweite Diode 120 zum Beispiel durch Festlegen der Dicke des oberen Bereichs 132 durch Bildung des vergrabenen Diffusionsbereichs 112 in dem zweiten Epitaxieabschnitt 108 auf 30 µm gebildet werden, um eine Durchbruchspannung von weniger als 600 V hervorzubringen.
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Bei zusätzlichen Ausführungsformen kann die Leistungskapazität der ersten Diode 118 und der zweiten Diode 120 festgelegt werden, unterschiedlich voneinander zu sein. Die Leistungskapazität kann durch Einstellen der Flächen des ersten Epitaxieabschnitts 106 und der zweiten Epitaxieschicht 108 innerhalb der Ebene des Substrats 101 (X-Y-Ebene des gezeigten kartesischen Koordinatensystems) eingestellt werden. Die Flächen können durch Bildung von Masken unterschiedlicher Größen eingestellt werden, um den ersten Epitaxieabschnitt 106 und den zweiten Epitaxieabschnitt 108 gemäß in dem Fachgebiet bekannter Techniken zu definieren. Zum Beispiel kann die erste Diode 118 eine Leistungskapazität von 700 W oder größer aufweisen und die zweite Diode kann eine Leistungskapazität von 500 W oder weniger aufweisen. Die Ausführungsformen sind in diesem Zusammenhang nicht beschränkt.
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Ein Vorteil des Aufbaus der 1 für eine asymmetrische Vorrichtung ist, dass ein Leitungsrahmen an nur einer Seite des Substrats 102 angebracht werden kann, um die verschiedenen Dioden zu kontaktieren. 2 veranschaulicht eine TVS-Bauelementeinheit 150. Die TVS-Bauelementeinheit 150 kann das TVS-Bauelement 100 und einen Leitungsrahmen 160 enthalten, wo der Leitungsrahmen 160 die erste Fläche des TVS-Bauelements 100, meinend die obere Fläche der 1, kontaktiert. In diesem Beispiel kann der Leitungsrahmen 160 ein erstes Teil 162 enthalten, wo das erste Teil 162 an den ersten Epitaxieabschnitt 106 des TVS-Bauelements 100 angeschlossen ist, und kann ein zweites Teil 164 enthalten, das mit dem zweiten Epitaxieabschnitt 108 des TVS-Bauelements 100 verbunden ist. In dem Beispiel von 2 enthält die TVS-Einheit ein Gehäuse 170, welches Gehäuse ein geformtes Gehäuse sein kann. Der Leitungsrahmen 160 kann in geeigneter Weise an dem TVS-Bauelement 100 durch Löten oder ein anderes Verbindungsverfahren befestigt sein.
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3 zeigt einen beispielhaften Verfahrensablauf 300 gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Bei Block 302 wird ein Substrat bereitgestellt, wobei das Substrat eine Basisschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält. Das Substrat kann zum Beispiel ein p-Typ-Siliziumsubstrat sein, wo die Basisschicht das Substrat selber darstellt. Bei Block 304 wird eine Epitaxieschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf der Basisschicht gebildet, wobei die Epitaxieschicht auf einer ersten Seite des Substrats angeordnet ist. Als solche kann die Epitaxieschicht n-Typ-Silizium sein, wenn die Substratbasis in p-Typ-Silizium ist. Die Epitaxieschicht kann gemäß bekannten Abscheidungsverfahren gebildet werden. Die Dotierstoffkonzentration in der Epitaxieschicht und die Schichtdicke der Epitaxieschicht können gemäß elektrischen Eigenschaften für eine in dem Substrat zu bildende Diode ausgelegt werden. Bei unterschiedlichen Ausführungsformen kann die Schichtdicke der Epitaxieschicht von 20 µm bis 80 µm reichen. Die Ausführungsformen sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
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Bei Block 306 werden ein erster Epitaxieabschnitt und ein zweiter Epitaxieabschnitt innerhalb der Epitaxieschicht gebildet, wobei der erste Epitaxieabschnitt elektrisch von dem zweiten Epitaxieabschnitt isoliert ist. Der erste Epitaxieabschnitt und der zweite Epitaxieabschnitt können durch Erzeugen einer Isolationsstruktur(n) gemäß bekannten Techniken gebildet werden, wobei die Isolationsstrukturen sich durch die Gesamtheit der Epitaxieschicht erstrecken.
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Bei Block 308 wird ein vergrabener Diffusionsbereich innerhalb des zweiten Epitaxieabschnitts gebildet, wobei die erste Diode und die zweite Diode sich in der Durchbruchspannung unterscheiden. Insbesondere kann der vergrabene Diffusionsbereich von einem ersten Dotierstofftyp gebildet werden, während die Epitaxieschicht, die den zweiten Epitaxiabschnitt enthält, von einem zweiten Dotierstoff-Typ gebildet wird. Der vergrabene Diffusionsbereich kann sich wenigstens zu der Grenzfläche zwischen der Substratbasis und der Epitaxischicht erstrecken und kann innerhalb des zweiten Epitaxiabschnitts ausgedehnt sein, während er sich nicht bis zur oberen Fläche des zweiten Epitaxiabschnitts erstreckt. Auf diese Art kann der vergrabene Diffusionsbereich wirken, um den Ort eines p-n-Übergangs von einer Grenzfläche der Substratbasis und der Epitaxieschicht zu der Grenzfläche zwischen der Epitaxieschicht und der oberen Fläche des vergrabenen Diffusionsbereiches zu verschieben. Diese Verschiebung verringert die Dicke der Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps auf der Kathodenseite der Diode, wobei die verringerte Dicke entsprechend die Durchbruchspannung verringert.
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Während die vorliegenden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen offenbart worden sind, sind zahlreiche Modifikationen, Änderungen und Umstellungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne von dem Gebiet und dem Umfang der vorliegenden, in den angehängten Patentansprüchen definierten Offenbarung abzuweichen. Entsprechend sind die vorliegenden Ausführungsbeispiele nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und können den vollen, durch die Sprache der folgenden Patentansprüche und Äquivalente davon definierten Umfang aufweisen.