DE1229651B - Verfahren zum Herstellen eines Leistungs-gleichrichters mit einkristallinem Halbleiter-koerper und vier Schichten abwechselnden Leitfaehigkeitstyps - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1229 651

Aktenzeichen: S 91516 VIII c/21 g

Anmeldetag: 13. Juni 1964

Auslegetag: !.Dezember 1966

Gegenstand der Patentanmeldung S 81478 VIIIc/ 21 g, deutsche Auslegeschrift 1214 790 ist ein Leistungsgleichrichter mit einkristallinem Halbleiterkörper, enthaltend vier aufeinanderfolgende Schichten von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, von denen die erste, zweite und dritte Schicht einen ersten Transistor und die zweite, dritte und vierte Schicht einen zweiten Transistor bilden und dessen zweite Schicht eine höhere Dotierungskonzentration als die dritte Schicht hat, bei dem der Stromverstärkungsfaktor des ersten Transistors im Stromdichtebereich unterhalb 10 mA/cm² sehr klein gegen Eins ist und im Stromdichtebereich zwischen 10 und 100 mA/cm² steil gegen Eins ansteigt und der Stromverstärkungsfaktor des zweiten Transistors in dem zuletzt genannten Stromdichtebereich praktisch unabhängig ist. Ein solcher steuerbarer Halbleitergleichrichter, auch Thyristor genannt, kann nach dem Hauptpatent unter anderem so ausgebildet sein, daß wenigstens die zweite Schicht zusätzlich Rekombinationszentren enthält. Als Rekombinationszentren sind solche Störstellen günstig, deren Energieniveau der Mitte des verbotenen Energiebandes des Halbleitermaterials zwischen seinem Valenz- und Leitungsband näher liegt als dem nächstgelegenen Rand des verbotenen Energiebandes und die gegenüber den Minoritätsträgern der zweiten Innenschicht einen wesentlich größeren Einfangsquerschnitt haben als gegenüber ihren Majoritätsträgern. Derartige Rekombinationszentren können z. B. aus Gold bestehen.

An den Rekombinationszentren laufen Vorgänge der Rekombination und Paarerzeugung ab. Sie bestimmen daher die Lebensdauer der Ladungsträger bzw. ihre Diffusionslänge im Gleichrichter, vor allem in seinen beiden inneren Schichten oder Basisgebieten. Insbesondere bewirken sie eine stark stromabhängige Lebensdauer der Ladungsträger in der niederohmigen der beiden Innenschichten. Erst bei verhältnismäßig hohen Stromdichten von mehr als 10 mA/cm² wird die Lebensdauer der Stromträger sehr groß. Daher ist auch die Stromverstärkung in der niederohmigen Innenschicht bei kleinen Strömen zunächst sehr niedrig, steigt aber bei höheren Stromdichten zwischen 10 und 100 mA/cm² steil gegen den Wert Eins an. Bei genügend hoher Dotierung der niederohmigen Innenschicht, also beispielsweise genügend hohem Akzeptorenüberschuß, falls die niederohmige Schicht p-leitend ist, bleibt dieser charakteristische Verlauf des Stromverstärkungsfaktors bis zu verhältnismäßig sehr hohen Temperaturen unverändert erhalten.

Verfahren zum Herstellen eines Leistungsgleichrichters mit einkristallinem Halbleiterkörper und vier Schichten abwechselnden
Leitfähigkeitstyps

Zusatz zur Anmeldung: S 81478 VIII c/21 g ■
Auslegeschrift 1214 790

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Adolf Herlet, Pretzfeld;

Dr. rer. nat. Kurt Raithel, Uttenreuth

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 25. Juni 1963 (7883)

Rekombinationszentren mit einem Energieniveau etwa in der Mitte des verbotenen Bandes, die für die Minoritätsträger in der niederohmigen Innenschicht einen wesentlich größeren Einfangsquerschnitt als für die Majoritätsträger haben und die in der niederohmigen Innenschicht die Lebensdauer der Ladungsträger stromabhängig machen, bewirken, wenn sie auch in der zweiten, höherohmigen Innenschicht von umgekehrtem Leitfähigkeitstyp vorhanden sind, dort eine praktisch stromunabhängige Lebensdauer und damit einen weitgehend stromunabhängigen Wert der Stromverstärkung in dieser Schicht. Der Gesamtstromverstärkungsfaktor, d. h. die Summe der Stromverstärkungsfaktoren der beiden Innenschichten, kann bei hohen Strömen durch die Zahl der eindiffundierten Rekombinationszentren und die Wahl der Dicke der Innenschichten eingestellt werden.

Bekanntlich sperren Thyristoren in Vorwärtsrichtung nur so lange, wie der Gesamtstromverstärkungsfaktor der beiden Innenschichten oder Basisgebiete kleiner als der Wert Eins ist. Wird der Wert Eins erreicht, kippen die Thyristoren; sie werden also leitend. Bei Anreicherung der Innenschichten mit Rekombinationszentren besteht diese Gefahr jedoch

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nicht, solange die Stromdichte in Vorwärtsrichtung nicht mindestens 10 mA/cm² und mehr beträgt, vorausgesetzt, daß der Stromverstärkungsfaktor der höherohmigen Innenschicht einen vernünftigen Wert kleiner als Ems hat. Dies letztere ist aber durch Einbringen der besonderen Rekombinationszentren auch in die höherohmige Innenschicht und durch eine passende Bemessung der Dicke dieser Schicht möglich. Derartige hohe Stromdichten (Leckströme) von mehr als 10 mA/cm² erreicht nun der pnpn- ίο Gleichrichter im gesperrten Zustand erst bei der durch die Durchgreifspannung (»Punch-through« oder durch die Durchbruchspannung (Break-down) bestimmten maximalen Sperrspannung. Erst bei sehr hohen Temperaturen werden derartige Leckströme auch schon bei kleineren Spannungen erreicht. Da nun aber der angegebene Verlauf für die Lebensdauer der Ladungsträger, wie schon gesagt, weitgehend temperaturunabhängig bestehenbleibt, wenn die niederohmige Innenschicht genügend hoch dotiert ist, bleibt also auch die Kippspannung temperaturunabhängig, und zwar ist sie bis zu sehr hohen Temperaturen von etwa 150° C und mehr gleich der Durchgreifspannung bzw. der Durchbruchspannung. Durch den Einbau von Rekombinationszentren erreicht man also bei genügend hoher Dotierung der niederohmigen Innenschicht, daß die Kippspannung einen genügend hohen Wert besitzt und temperaturunabhängig ist. Jedoch darf die niederohmige Innenschicht nicht zu hoch dotiert sein, da sonst der Zündstrom des Gleichrichters unzulässig hoch wird.

Mit diesen Maßnahmen erreicht man jedoch auch zugleich gute Durchlaßeigenschaften. Hierfür ist es nämlich erforderlich, daß im Bereich hoher Durchlaßströme die Diffusionslängen der Ladungsträger in beiden Innenschichten genügend groß sind im Vergleich zu der Breite dieser Schichten. Das bedeutet aber, daß die Summe der Stromverstärkungsfaktoren der beiden Innenschichten im Bereich hoher Durchlaßströme deutlich größer als der Wert Eins sein muß. Da der Stromverstärkungsfaktor in der niederohmigen Innenschicht bis zu verhältnismäßig hohen Sperrströmen sehr klein ist, kann der Stromverstärkungsfaktor in der höherohmigen Innenschicht relativ hoch gewählt werden. Da nun der Stromverstärkungsfaktor in der niederohmigen Innenschicht bei höheren Strömen sehr groß wird und näherungsweise den Wert Eins erreicht, ist also bei hohen Durchlaßströmen die Summe beider Stromverstärkungsfaktoren deutlich größer als Eins. Somit erhält man bei genügend hoher Dotierung der niederohmigen Innenschicht durch den Einbau von Rekombinationszentren auch kleine Durchlaßspannungen und daher gute Durchlaßeigenschaften des Thyristors.

Obwohl es genügt, die Rekombinationszentren der geforderten Art allein in die höher dotierte Innenschicht einzubringen, wird es im allgemeinen einfacher sein, die beschriebenen Rekombinationszentren über den ganzen Halbleiterkristall etwa gleichmäßig zu verteilen.

Mit der Erfindung wird der Leistungsgleichrichter nach der Hauptpatentanmeldung weiter verbessert. Unter Beibehaltung guter Durchlaßeigenschaften und der Temperaturstabilität der Kippspannung werden bei erhöhter Löschgeschwindigkeit die Schaltzeit des Gleichrichters und der Zündstrom vermindert. Letzterer soll bekanntlich nicht sehr groß, d. h. nicht größer als einige hundert Milliampere sein. Gleichzeitig wird die Zeit der Arbeitsgänge beim Herstellen des Gleichrichters verringert, da auch auf zweistufige Diffusionsprozesse beim Dotieren der niederohmigen Innen- oder Basisschicht verzichtet werden kann. Außerdem werden die Rekombinationszentren gleichzeitig mit dem Einlegieren der Emitterkontakte in die niederohmige Innenschicht des Gleichrichters eingebaut.

Die Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsgleichrichters mit einkristallinem Halbleiterkörper, enthaltend vier aufeinanderfolgende Schichten von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, von denen die erste, zweite und dritte Schicht einen ersten Transistor und die zweite, dritte und vierte Schicht einen zweiten Transistor bilden und dessen zweite Schicht eine höhere Dotierungskonzentration als die dritte Schicht hat, bei dem der Stromverstärkungsfaktor des ersten Transistors im Stromdichtebereich unterhalb 10 mA/cm² sehr klein gegen Eins ist und im Stromdichtebereich zwischen 10 und 100 mA/cm² steil gegen Eins ansteigt und der Stromverstärkungsfaktor des zweiten Transistors in dem zuletzt genannten Stromdichtebereich praktisch stromunabhängig ist, nach Patentanmeldung S 81478 VIII c/21g. Erfindungsgemäß wird in einen überschußleitenden flachen Siliziumeinkristall, der einen Donatorenüberschuß von höchstens 10¹⁵ cm~³ aufweist, Akzeptormaterial eindiffundiert und dann der η-Emitter gebildet, indem in die auf diese Weise erzeugte Diffusionszone eine antimonhaltige Goldfolie durch einen Legierungsprozeß, bei dem Temperaturwerte im Bereich zwischen 800 und 900° C mindestens 5 Minuten lang gehalten werden, einlegiert wird.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt das Querschnittsprofil eines Thyristors, das nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt worden ist. Der Gleichrichter besteht aus einem Halbleiterkörper 2, der beispielsweise aus einer einkristallinen Platte oder Scheibe aus schwach dotiertem Silizium als Rohkristall hergestellt ist. Der Rohkristall ist η-leitend und hat höchstens einen Donatorenüberschuß von 10¹⁵ cm"³. Als zweckmäßig hat sich ein Donatorenüberschuß von 1 bis 3 · 10¹⁴ cm~³, vorzugsweise 2 · 10¹⁴ cm~³, erwiesen. Die Abmessungen einer wirklich verwendeten Siliziumscheibe waren 18 mm Durchmesser und 0,3 mm Dicke. Durch Eindiffundieren von Akzeptormaterial, wie z. B. Gallium, Bor oder vorzugsweise Aluminium, beispielsweise aus der Gasphase, wird eine den Rohkristall allseitig umgebende Diffusionszone 4 erzeugt. Diese Diffusionszone 4, die einen unverändert η-leitend gebliebenen, schließlich als η-Basis wirksamen Bereich 3 des Rohkristalls umschließt und aus der schließlich die p-Basis Aa des Gleichrichters hervorgeht, wird dadurch p-leitend.

Anschließend wird erfindungsgemäß auf der einen Flachseite des Halbleiterkörpers 2 unter Schaffung eines Kontaktes 5 und eines aus der Rekristallisationszone bestehenden n-Emitters 6 eine ringförmige antimonhaltige Goldfolie in die Diffusionszone 4 einlegiert. Bei diesem Legierungsprozeß werden erfindungsgemäß Temperaturwerte im Bereich zwischen 800 und 900° C mindestens 5 Minuten lang gehalten. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, bei 840° C 20 Minuten lang zu legieren. Dadurch wird erreicht, daß das Rekombinationszentren bildende

Gold in genügender Konzentration in den an den Emitter 6 angrenzenden, als p-Basis 4 α wirksamen Teil der Diffusionsschicht 4 und in den als n-Basis wirksamen Bereich 3 eindiffundiert.

Zur Schaffung des p-Emitters 10 und des Kontaktes 9 wird im gleichen Arbeitsgang auf der anderen Flachseite des Halbleiterkörpers 2 eine etwa die ganze Fläche bedeckende Aluminiumfolie einlegiert. Die Rekristallisationszone wirkt als p-Emitter 10. Sie ist annähernd gleichmäßig und höher mit Akzeptorstörstellen dotiert als der an ihrer Stelle ursprünglich befindliche Teil der Diffusionszone 4. Im Mittelpunkt des ringförmigen Kontaktes 5 wird ein Steuerkontakt 8, beispielsweise aus Aluminium, in den als p-Basis 4 a wirkenden Teil der Diffusionszone 4 einlegiert. Damit die p-Basis 4 a mit dem p-Emitter 10 keine niederohmige Verbindung hat, ist die Randschicht 4 durch einen ringförmigen Graben 7 unterbrochen, der durch mechanische oder chemische Bearbeitung hergestellt werden kann. so

Bei einem nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Gleichrichter soll der Akzeptorenüberschuß in der Grenzschicht zwischen der p-Basis 4 a und dem n-Emitter6 weniger als 10¹⁷cm~³, jedoch mindestens 10¹⁶ cm~^s betragen und in der Grenzschicht zwischen der p-Basis 4 a und dem als η-Basis wirksamen Bereich 3 um mehrere Zehnerpotenzen niedriger sein. Die sich so ergebende mittlere Akzeptorenkonzentration in der p-Basis 4 a ist einerseits hoch genug, im Zusammenwirken mit den durch den Legierungsprozeß gemäß der Erfindung eingebauten Rekombinationszentren eine geringe Durchlaßspannung, eine gute Temperaturstabilität der Kippspannung sowie eine geringe Schaltzeit bzw. eine hohe Löschgeschwindigkeit des Gleichrichters zu gewährleisten. Andererseits ist der Randkonzentration der Akzeptoren in dem dem n-Emitter 6 benachbarten Bereich der p-Basis 4 a nicht so hoch, daß der Zündstrom zu groß, d. h. größer als einige hundert Milliampere ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Leistungsgleichrichters mit einkristallinem Halbleiterkörper, enthaltend vier aufeinanderfolgende Schichten von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, von denen die erste, zweite und dritte Schicht einen ersten Transistor und die zweite, dritte und vierte Schicht einen zweiten Transistor bilden und dessen zweite Schicht eine höhere Dotierungskonzentration als die dritte Schicht hat, bei dem der Stromverstärkungsfaktor des ersten Transistors im Stromdichtebereich unterhalb 10 mA/cm² sehr klein gegen Eins ist und im Stromdichtebereich zwischen 10 und 100 mA/cm² steil gegen Eins ansteigt und der Stromverstärkungsfaktor des zweiten Transistors in dem zuletzt genannten Stromdichtebereich praktisch stromunabhängig ist, nach Patentanmeldung S 81478 VIIIc/21g, dadurch gekennzeichnet, daß in einen überschußleitenden flachen Siliziumeinkristall, der einen Donatorenüberschuß von höchstens 10¹⁵ cm~³ aufweist, Akzeptormaterial eindiffundiert und dann der η-Emitter gebildet wird, indem in die auf diese Weise erzeugte Diffusionszone eine antimonhaltige Goldfolie durch einen Legierungsprozeß, bei dem Temperaturwerte im Bereich zwischen 800 und 900⁰C mindestens 5 Minuten lang gehalten werden, einlegiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die antimonhaltige Goldfolie bei einer Legierungstemperatur von 840° C in die Diffusionszone einlegiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungstemperatur von 840° C 20 Minuten lang aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Akzeptormaterial, wie z. B. Gallium, Bor oder vorzugsweise Aluminium, in einer solchen Konzentration in dem Siliziumeinkristall eindiffundiert wird, daß der Akzeptorenüberschuß in der Grenzschicht zwischen der Diffusionszone und dem durch Einlegieren der antimonhaltigen Goldfolie gebildeten η-Emitter höchstens 10¹⁷Cm-³ und mindestens 10¹⁶cm~³ beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine flache, einkristalline Siliziumplatte oder Siliziumscheibe mit einem Donatorenüberschuß von 1 bis 3 · 10¹⁴ cmr³, vorzugsweise 2 · 10¹⁴ cm""³, als Ausgangskörper verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1113 520.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

60S 729/329 11.66

Bundesdruckerei Berlin