DE2002810C3

DE2002810C3 - Halbleiterdiode zum Erzeugen oder Verstarken von Mikrowellen und Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE2002810C3
Application number: DE2002810A
Authority: DE
Inventors: Peter Jan De Eindhoven Waard (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-02-14
Filing date: 1970-01-22
Publication date: 1978-09-28
Also published as: CH504811A; DE2002810A1; NL6902447A; FR2031421B1; DE2002810B2; GB1296748A; GB1296348A; FR2031421A1; US3669518A; BE745906A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Halbleiterdiode ist bereits vorgeschlagen worden (siehe DE-PS 19 57 390). Bei dieser Diode sind jedoch die Einzeldioden als Mesa-Dioden ausgeführt.

Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Herstellung der Halbleiterdiode verhältnismäßig kompliziert ist und besondere Ätzschritte zum Bilden der einzelnen Mesa-Dioden erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und eine Halbleiterdiode der eingangs genannten Art anzugeben, die einfacher herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Halbleiterdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs genannten Merkmale gelöst.

Eine solche Halbleiterdiode hat den Vorteil, daß sie mit Hilfe der üblichen Planartechnologie auf einfache

Weise herstellbar ist

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb der oben beschriebenen Halbleiterdiode, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen der ersten Elektrode und den weiteren Elektroden eine derart große Spannung in der Sperrichtung angelegt wird, daß sich die Verarmungszonen in der epitaktischen Schicht wenigstens bis zu dem Substrat erstrecken. Infolge der Tatsache, daß sich die Verarmungszone im niederohmigen Substrat nahezu nicht erweitert, erhalten die Verarmungszonen unterhalb der verschiedenen weiteren Elektroden dann alle praktisch die gleiche Dicke, wodurch alle durch die weiteren Elektroden mit dem Halbleiterkörper gebildeten Lawinendioden Kennlinien erhalten, die einander derart gleich sind, daß der Parallelschaltung der Einzeldioden keine Bedenken entgegenstehen (siehe in diesem Zusammenhang auch »Proceeding I.E.E.E.«, Januar 1968, S. 105).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung,

F i g. 2 schemanisch einen Querschnitt durch das Bauelement nach F i g. 1 längs der Linie H-II der F ig. 1.

Die Figuren sind nicht maßstäblich gezeichnet, wobei der Deutlichkeit halber insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung des Halbleiterkörpers stark übertrieben dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht und Fig.2 im Querschnitt längs der Linie II—11 eine Halbleiterdiode nach der Erfindung, bei dem der Halbleiterkörper drei identische Lawinendioden enthält. Die Diode besteht aus einem Halbleiterkörper 1 von 770 μιη χ 700 μιη aus N-leitendem Silicium (siehe Fig.2). Der aus einem Substrat 8 mit einer Dicke von 90 μπι und einer Dotierungskonzentration von 7-10¹⁸ Atomen/cm³ und einer epitaktischen Schicht 7 mit einer Dicke von 10 μιη und einer Dotierungskonzentration von 5-10¹⁴ Atomen/cm³ besteht. Auf der Seite des Substrats 8 ist auf der Siliciumplatte 1 eine Elektrodenschicht 2 angebracht, die aus einer auf dem Silicium angebrachten Titanschicht mit einer Dicke von 0,1 μπι und einer darauf angebrachten Goldschicht mit einer Dicke von 1 μπι besteht. Die epitaktische Schicht ist mit einer Schicht 28 aus Siliciumoxid mit einer Dicke von 0,2 μιτι überzogen. Die epitaktische Schicht enthält ferner drei diffundierte P-Ieitc:nde Zonen mit einer Dicke von 7 μιη, von denen in F i g. 2 zwei (26, 27) im Schnitt dargestellt find, welche Zonen über Fenster in der Oxidschicht 28 elektrisch mit aus Gold bestehenden weiteren Elektroden 23, 24 und 25 verbunden sind. Die Lage dieser Elektroden ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Ihre Mittelpunkte bilden ein gleichseitiges Dreieck mit Seiten von 400 μΐΐΐ Länge. Das Bauelement ist mit den weiteren Elektroden 23, 24 und 25 auf einer aus Kupfer bestehenden Kühlplatte6 angebracht.

Im Betriebszusland wird (siehe F i g. 2) zwischen der Elektrodenschicht 2 und der Kühlplatte 6 ein derartiger Potentialunterschied angelegt, daß die PN-Übergänge zwischen den diffundierten P-leitenden Zonen (26, 27) und der N-Ieitenden Schicht 7 in der Sperrichtung polarisiert sind. Dabei erstreckt sich die Erschöpfungszone jeder der Einzeldioden in der epitaktischen Schicht wenigstens bis zu dem Substrat 8 (siehe F i g. 2, in der die Grenze dieser Erschöpfungszonen in der epitaktischen Schicht gestrichelt dargestellt ist). Sowohl die Durchschlagspannung wie auch die optimale Frequenz jeder

Diode wird durch den Abstand zwischen den P-leitenden Zonen (26,27) und dem Substrat 8 bestimmt. Dieser Abstand kann in der betreffenden Struktur für sämtliche Dioden genau gleich sein, so daß diese Dioden sich vorzüglich zur Parallelschaltung eignen. Die zulässige Verlustleistung und die gelieferte Nutzleistung können, dank der zweckmäßigeren Kühlung erheblich höher als bei Verwendung einer gleichen Anzahl gesonderter Dioden bekannter Bauart sein, insbesondere wenn diese Dioden, wie üblich, auf der Substratseite gekühlt werden.

Die Halbleiterdiode läßt sich auf folgende Weise herstellen.

Es wird von einer Platte aus N-leitendem Silicium mit einem Durchmesser von 25 mm ausgegangen. Auf der Platte können gleichzeitig eine große Anzahl der beschriebenen Bauelemente hergestellt werden. Die Platte besteht aus einem N-leitenden Substrat mit einer Dicke von 90 μτη und mit einer Dotierungskonzentration von 7-10¹⁸ Atomen/cm³, auf dem eine epitaktische N-leitende Schicht mit einer Dotierungskonzentration von 5-10¹⁴ Atomen/cm³ und einer Dicke von 10 μιη angebracht ist. Auf die epitaktische Schicht wird durch thermische Oxydation eine Siliciumoxidschicht mit einer Dicke von 0,2 μπι aufgewachsen. Durch bei der Herstellung planarer Haibleiterstrukturen übliche Techniken werden in die Siliciumoxidschicht Fenster geätzt, durch die Bor bis zu einer Tiefe von 7 μιη hindurchdiffundiert wird.

Dann wird auf der Seite des Substrats eine Elektrodenschicht aus einer Legierung von Gold mit 1 Gew. % Antimon aufgedampft Diese Schicht bildet einen pratisch ohmschen Kontakt mit dem Substrat Auf die andere Seite wird eine Titanschicht mit einer Dicke von 0,1 μπι aufgedampft, auf die dann eine Goldschicht mit einer Dicke von 1 μιη aufgedampft wird.

Durch bekannte photolithographische Ätztechniken wird diese Schicht dann, ausgenommen an den Stellen der Fenster in der Siliciumoxidschicht entfernt Auf den verbleibenden Titan-Goldschichten wird durch bekannte Wärmedrucktechniken das kugelförmige Ende eines Golddrahtes befestigt, wonach durch Abschneiden des Drahtes Goldkugeln mit einem Durchmesser von 60 μπι auf den Dioden zurückbleiben. Mit diesen Kugeln wird das Bauelement unter Druck bei einer Temperatur von etwa 320⁰C auf der vergoldeten Kupferplatte 6 befestigt, wonach die Elektrodenschicht 2 und die Kühlplatte t> mit Zuführungsleitern verbunden werden und das Ganze in ein geignetes Gehäuse eingebaut wird.

Neben der in dem Ausführungsbeispiel verwendeten Kühlplatte kann eine zweite Kühlplatte angebracht werden, die mit der ersten Elektrode in Kontakt ist, wobei zum Erreichen einer noch besseren Kühlung das Bauelement zwischen den beiden Kühlplatten eingeklemmt werden kann. Die Abmessungen, die Dotierungskonzentrationen und die gewählten Materialien können vom Fachmann nach Wunsch variiert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterdiode zum Erzeugen oder Verstärken von Mikrowellen, mit einem plattenförmigen Halbleiterkörper, der an der Oberseite mit einer ersten, ohmschen Elektrode versehen ist und bei der an der Unterseite mindestens drei nicht auf einer geraden Linie liegende, je mit einer weiteren Elektrode versehene Einzeldioden angeordnet sind, die mit einem gemeinsamen Kühlkörper in Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldioden eine planare Struktur haben, und der Halbleiterkörper (1) an der Unterseite eine praktisch ebene Oberfläche aufweist, aus der die weiteren Elektroden (23,24,25) hervorragen.

2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) eine epitaktische Schicht vom einen Leitungstyp enthält, auf der die weiteren Elektroden (23, 24, 25) angebracht sind und die auf einem Substrat (8) vom einen Leitungstyp liegt das eine höhere Dotierungskonzentration als die epitaktische Schicht aufweist und auf dem die erste Elektrode (2) angebracht ist.

3. Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldioden Lawinendioden mit praktisch gleichen Eigenschaften sind.

4. Halbleiterdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Elektroden (23,24, 25) mit dem Halbleiterkörper (1) einen gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergang bilden.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Elektroden mit Zonen (26, 27) verbunden sind, die an einen Teil (7) des Halbleiterkörpers vom entgegengesetzten Leitungstyp grenzen und mit diesem PN-Übergänge bilden, die an derselben ebenen Oberfläche des Halbleiterkörpers enden.

6. Verfahren zum Betrieb der Halbleiterdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Elektrode (2) mit den weiteren Elektroden (23, 24, 25) eine derart große Spannung in der Sperrichtung angelegt wird, daß sich die Verarmungszonen in der epitaktischen Schicht (7) wenigstens bis zu dem Substrat erstrecken.