DE2409395A1

DE2409395A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2409395A1
Application number: DE2409395A
Authority: DE
Inventors: Kenji Fujihira; Koichi Kamahara; Kazuhisa Miyashita; Noboru Terao; Jinzo Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1973-02-27
Filing date: 1974-02-27
Publication date: 1974-09-12
Also published as: US3925802A; DE2409395C3; DE2409395B2

Description

PATENTANWÄLTE HENKEL— KERN — FEILER — HÄNZEL— MÜLLER

DR. PHIL. DIPL.-ING. DR. RER. NAT. DIPL.-ING. DIPL.-ING.

TELEX: 05 29 802 HNKL D EDUARD-SCH MID-STRASSE 2 BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND

TELEFON: (08 11) 66 31 97, 66 30 91-92 onnn n(»\irucM On WECHSELBANK MÜNCHEN NR. 318 - 85 IU

TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN D-8UUU M U JN L. Xl L· IN SU POSTSCHECK: MCHN 1621 47 —

Mitsubishi DenfcL KabushikL Kai aha

iDokio, Japan 27. FEb. 19/4

Halbleitervorrichtung

Me Erfindung betrifft eine verbesserte Halbleitervorrichtung mit mindestens einem pn-übergang.

Bei herkömmlichen Halbleitervorrichtungen ist mindestens ein pn-übergang in einem flachen Substrat bzw. einer flachen G-rundschieht aus einem Halbleitermaterial beispielsweise durch Diffusion von der einen !lache her oder durch epitaxiales Wachstum darauf ausgebildet. Der resultierende pn-übergang besitzt normalerweise die Form einer ebenen Fläche und liegt am Außenumfang an der Umfange- oder Handfläche des Substrats frei. Wenn die Fläche eines pn-übergang s zur Erhöhung des Stromaufnahmevermögens des zugeordneten Halbleiterelements vergrößert wird, vergrößert sich unweigerlich auch der an der Umfangsflache des betreffenden Halbleiter-Substrats freiliegende Abschnitt des pn-Übergangs. Infolgedessen ist dabei der Oberfläehenkriechetrom vergleichsweise hoch, wodurch die Spannung verringert wird, welcher das Halbleiterelement zu widerstehen vermag.

Bisher war es für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen üblich, flache Halbleiterelemente und flache Träger-

/Bl/Ho _ 2

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elektroden dafür zu verwenden· Zur Vermeidung einer Beschädigung eines Halbleiterelemente durch, die Bimetallwirkung infolge eines Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten sswischen den Werkstoffen des Elements und der angrenzenden Elektrode bei der Wärmebehandlung war es bisher erforderlich, für das Halbleiterelement und die Elektrode solche Werkstoffe zu verwenden, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sich einander möglichst stark annähern· Bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterelement mußte daher die dieses Element tragende Elektrode aus Molybdän oder Wolfram bestehen. Infolge ihrer großen Härte sind diese metallischen Werkstoffe jedoch nicht einfach maschinell zu bearbeiten, und sie können auch nicht immer ohne weiteres Oberflächenbehandlungen, wie Löten bzw· Hartlöten und Plattieren bzw· Galvanisieren, unterworfen werden. Die Struktur der Elektrode für Halbleitervorrichtungen bedingte mithin eine der Einschränkungen bezüglich ihrer Konstruktion.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung vorteilhafter und verbesserter Konstruktion zu schaffen, die mindestens einen pn-übergang in Perm einer gekrümmten Fläche aufweist.

Diese Halbleitervorrichtung: soll ein Substrat aus Halbleitermaterial in !Form eines Hohlzylinders aufweisen, wodurch der an der Oberfläche des Substrats freiliegende Teil des pn-Übergangs verkleinert wird_e

Außerdem soll die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung ein erhöhtes Stromaufnahmevermögen besitzen.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleitervorrichtung der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie ein Substrat aus einem Halbleitermaterial eines bestimmten Leit-

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fähigkeite-Typs in JForm eines Hohlzylinders mit vorbestimmtem Quersohnittsprofil und mit einer Außen- und einer Innenumfangsflache aufweist₉ daß mindestens eine Halbleiter schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeits-Typ auf die Außen- oder die Innenumfangsflache des Substrats aufgesetzt ist und mit letzterem einen pn-übergang in lOrm einer um die Längsachse des Substrats herum gekrümmten fläche bildet und daß zwei Metall-Elektroden in ohmsohem Kontakt mit der Außen- bzw„ der Innenumfangsfläohe des Substrats angeordnet sind.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine neuartige Kombination Ton elektrisch leitfähigen Materialien für die Torstehend umrissene Elektrode verwendet, die einen vom Material des zugeordneten Halbleiterelements abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, wobei eine Beschädigung dieses Elements im Betrieb verhindert wird.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß eine stangenförrnige, der zentralen Bohrung in dem zugeordneten Halbleitersubstrat komplementär angepaßte Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten als demjenigen des Substratmaterials vorgesehen und in die genannte Bohrung eingesetzt wird, während die andere, an der Mantelfläche des Substrats angeordnete Elektrode einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, welcher gleich groß oder kleiner ist als derjenige des Substratmaterials·

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungeformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert· Es zeigen:

Pig. 1 eine Stirnseitenansicht eines zur Verwendung bei der Erfindung geeigneten Substrats aus Halbleitermaterial,

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Fig. 2 einen Längsschnitt längs der Linie II-II in Pig. 1,

Fig. 3 eine Stirnseitenansicht eines Halbleiterelements mit Merkmalen nach der Erfindung,

Pig. 4 einen Längsschnitt längs der Linie IV-IV in Pig. 3,

Pig. 5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß aufgebaute Halbleitervorrichtung und

Pig. 6 eine Pig. 5 ähnelnde Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, den pn-übergang in Halbleiterelementen als gekrümmte Fläche auszubilden. Obgleich der pn-übergang die Porm einer beliebig gekrümmten Fläche besitzen kann, ist es aus den im folgenden genannten Gründen am vorteilhaftesten, dem pn-übergang die Porm einer kreiszylindrisehen Fläche zu verleihen: Wenn nämlich der pn-tJbergang die Porm einer kreiszylindrischen Fläche besitzt, wird in dem zugeordneten Halbleitersubstrat sowie an diesem Übergang ein gleichmäßiges elektrisches Feld hergestellt. Außerdem werden hierdurch die Fertigung und die maschinelle Bearbeitung von homogenen, hoohqualitativen Halbleitersubstraten vereinfacht, und ihre Übergänge können ohne weiteres gleichmäßig ausgebildet werden. Zudem wird dadurch gewährleistet, daß die Elektrode einfach an den Halbleitervorrichtungen betriebsfähig angebracht werden kann. Aus diesem Grund ist die Erfindung im folgenden in Verbindung mit kreiszylindrischen Substraten aus Halbleitermaterial beschrieben, doch ist zu beachten, daß die Erfindung gleichermaßen auf Halbleitersubstrate eines beliebigen anderen Querschnitt»profils als mit kreiszylindrischem Profil anwendbar ist.

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Gemäß den Fig. 1 und 2 weist die erfindungegemäße Anordnung ein Substrat aus einem zweckmäßigen Halbleitermaterial, wie Silizium, in Form eines kreisförmigen Hohlzylinders 10 auf, der von einer koaxialen Zentralbohrung 12 durchsetzt wird. Das Substrat 10 weist somit eine innere und eine äußere Umfangsflache auf, die zwei einander gegenüberliegende Hauptflachen bilden. Das Substrat 10 besteht bei der dargestellten Ausführungsfοrm aus einem Einkristall aus Silizium vom η-Typ. Das n-Typ-Substrat 10 weist eine ring- oder rohrförmige p-Typ-Schicht 14 an der einen Hauptfläche, d.h. an ihrer Innenumfangsfläehe, und eine ring- oder rohrförmige n⁺-Typ-Schieht 16 auf der anderen Hauptflache, d.h. an der Außenumfangsflache auf, wobei diese Schichten dadurch hergestellt worden sind, daß Dotierungen, welche dem Substrat die p- bzw. η-Leitfähigkeit verleihen, von der Innen- bzw. Außenumfangsfläche der G-rundsehicht her bis zu jeweils einer vorbestimmten Tiefe in das Halbleitermaterial des Substrats 10 eindiffundiert wurden. Die rohrförmigen Schichten 14 und 16 sind koaxial zur Längsachse des Substrats 10 angeordnet. Die rohrförmige p-Schicht 14 bildet einen pn-übergang 18 zwischen ihr und dem Substrat 10 vom η-Typ, während die rohrförmige n⁺-Schicht 16 einen nn⁺-Übergang 20 zwischen ihr und dem n-Typ-Substrat 10 bildet, und beide Übergäi^everlaufen koaxial zur Längsachse des Substrats 10. Bei der dargestellten Ausführungsform liegen diese Übergänge 18 und 20 als kreiszylindrische Flächen vor, die ebenfalls koaxial zur Längsachse des Substrats 10 und mithin zur Zentralbohrung verlaufen.

Der auf diese Weise hergestellte Aufbau bildet gemäß den Pig. 3 und 4 ein Halbleiterelement in Form einer pnn⁺-Diode, bei welcher die innerste Schicht 14 vom p-Typ und die äußerste Schicht 16 vom n⁺-Typ ist, während die Innenschicht oder Zwischenschicht aus dem ursprünglichen Halbleitermaterial vom η-Typ besteht.

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In !ig. 5, in welcher die den Teilen von !ig· 3 und 4 entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist eine fertiggestellte Halbleitervorrichtung dargestellt, welche die Diode gemäß !ig« 3 und 4 sowie zwei betrieblich damit verbundene Metall-Elektroden aufweist·

Genauer gesagt, sind dabei die beiden Stirnflächen des Substrats zu kegelstumpfförmigen !lachen abgeschrägt. Sodann wird eine hohlzylindrische Elektrode 22 aus einem zweckmässigen elektrisch leitfähigen Material mit einer dem Substrat 10 komplementären Bohrung auf das Substrat aufgeschoben und mit Hilfe einer zwischengefügten Schicht 24 aus einem zweckmäßigen Hartlot, wie Aluminium, mechanisch und elektrisch mit dem Substrat verbunden. Die Elektrode 22 bildet eine Kathode und endet kurz vor den beiden Enden der rohrförmigen Außenschicht 16. Eine andere Elektrode 26 aus einem ähnlichen Material und mit der Zentralbohrung 12 angepaßter 3?orm ist in letztere eingesetzt und durch eine der Lotmaterialschicht 24 ähnelnde Lotschicht 28 mechanisch und elektrisch mit dea Substrat 10 verbunden. Die Elektrode 26 bildet eine Anode und ragt aus den beiden Enden des Substrats 10 heraus. Gemäß Pig· 5 besitzt die Anode 28 die Form eines kreisförmigen Hohlzylinders· Bei der dargestellten Ausführungsform kann das Innere der Elektrode 28 als Durchgang für ein Kühlmedium benutzt werden, so daß die Halbleitervorrichtung ohne weiteres mit hohem Wirkungsgrad kühlbar ist.

Die zur Bildung der Elektrode, welche als !Träger für das zugeordnete Halbleiterelement dient, ausgewählten metallischen Werkstoffe mußten bisher zwangsläufig ungefähr den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen wie das Halbleitermaterial des Elements. Wenn beispielsweise das Halbleiterelement aus Silizium besteht, wurde als Trägerelektrode eine solche aus Molybdän oder Wolfram verwendet.

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Die Elektroden 22 und 26 gemäß den Pig. 4 und 5 können effektiv aus einem solchen elektrisch leitfähigen Material bestehen. Die bisher für die Elektrode verwendeten, elektrisch leitfähigen metallischen Werkstoffe sind jedoch infolge ihrer großen Härte nicht leicht maschinell zu bearbeiten. Außerdem ist es dabei nicht immer einfach, diese Werkstoffe Oberflächenbehandlungen, wie löten bzw. Hartlöten oder Galvanisieren, zu unterwerfen. Aus diesem Grund stellte bisher die Auswahl des Elektrodenmaterials einen der die Konstruktion von Halbleitervorrichtungen einschränkenden Faktoren dar_o

Erfindungsgemäß wird diese Einschränkung bezüglich der Wärmeausdehnungskoeffizienten der metallischen Werkstoffe für die Trägerelektrode ausgeschaltet. Dies zeigt die in 3Pig. 6 dargestellte Halbleitervorrichtung. In !ig. 6 sind die den Teilen von IPig« 4 und 5 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen gemäß den Fig. 4 und 5 nur darin, daß die Innenelektrode 26' die Form eines massiven Zylinders von kreisförmigem Querschnitt besitzt, der aus einem zweckmäßigen, elektrisch leitfähigen Material mit größerem Wärmeausdelinungskoeffizienten als dem des Materials des Halbleitersubstrats 10 besteht, während die Außenelektrode 22» aus einem passenden, elektrisch leitfähigen Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich groß oder kleiner ist als derjenige des Materials des Substrats 10. Beispielsweise können die Innenelektrode 26' und die Außenelektrode 22· aus Kupfer bzw. aus Invar (eingetr. Warenzeichen) bestehen.

Die Erfindung bietet somit zahlreiche Vorteile: Beispielsweise kann die Stromkapazität ohne weiteres dadurch erhöht werden, daß die Länge des betreffenden Halbleitersubstrate vergrößert wird, um die Fläche des pn-Übergangs in dem Substrat zu vergrößern. Diese Flächenvergrößerung des pn-Übergangs ist dabei

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nicht von einer Vergrößerung des an der Oberfläche des Substrate freiliegenden Abschnitts des pn-Übergangs begleitet, wie dies bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art der Pail ist. Dies bedeutet, dafi. bei dieser Konstruktion die beiden an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Substrats freiliegenden Bänder des pn-Übergangs unabhängig von der Länge des Substrats gleich groß bleiben. Selbst wenn die Stromkapazität, wie erwähnt, erhöht wird, bleibt dabei der Oberflächenkriechstrom auf einem vergleichsweise niedrigen, festen Wert, ohne sich zu erhöhen. Außerdem kann das Volumen des erfindungsgemäßen Halbleiterelementeβ im Vergleich zu den herkömmlichen Halbleiterelementen ähnlicher Stromkapazität verkleinert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das «rfindungsgemäße Halbleiterelement einen pn-übergang in form einer gekrümmten fläche besitzt.

Darüberhinaus ist die Anordnung gemäß fig· 6 auch insofern vorteilhaft, als dann, wenn sich Innen- und Außenelektrode und Halbleitersubstrat bei der betreffenden Wärmebehandlung oder im Betrieb unterschiedlich ausdebsn, die beiden Elektroden miteinander zusammenwirken und eine Druckbeanspruchung auf das Substrat ausüben, wodurch letzteres an einem Bruch infolge Biegung gehindert wird. Außerdem wird dabei die Lötwirkung verbessert, was zu einer festen elektrischen Verbindung des Halbleitersubstrats mit den Elektroden führt. Weiterhin brauchen die Elektroden nicht au· einem der elektrisch leitfähigen Werkstoffe mit etwa dem Auedehnungekoeffizienten des verwendeten Halbleitermaterials entsprechendem Wärmeausdehnungskoeffizienten zu bestehen, vielmehr können sie aus einer beliebigen von zahlreich möglichen Kombinationen elektrisch leitfähiger Werkstoffe hergestellt werden, die andere Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Halbleitermaterial besitzen können.

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Die Erfindung ist nicht nur auf Halbleiterdioden, sondern gleichermaßen beispielsweise auch auf andere Halbleitervorrichtungen, wie Sransistören, Thyristoren usw. anwendbar. Bei Anwendung der Erfindung auf Halbleitersubstrate von ringfärmigem Querschnitt können zudem die Emitter- und Kollektorbereiche und dgl. mit größerer Vielseitigkeit als bei den bisher verwendeten flachen HalbleiterSubstraten auf den Oberflächen des Halbleitersubstrats angeordnet werden.

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Claims

Patentansprüche

1·/ Halbleitervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Substrat (10) aus einem Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeits-Typs in Form eines Hohlzylinders mit vorbestimmtem Querschnittsprofil und mit einer Außen- und einer Innenumfangsflache aufweist, daß mindestens eine Halbleiterschicht (14,16) rom entgegengesetzten Leitfähigkeits-«!Dyp auf die Außen- oder die Innenumfangsflache des Substrats aufgesetzt ist und mit letzterem einen pn-übergang in Form einer um die Längsachse des Substrats herum gekrümmten Fläche bildet und daß zwei Metall-Elektroden (22,26) in ohmschem Kontakt mit der Außen- bzw. der Innenumfangsflache des Substrats angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlzylindrische Substrat einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlzylindrische Substrat aus einem Einkristall aus n-Typ-Halbleitermaterial besteht und daß eine p-Typ-Halbleiterschioht einer vorbestimmten Tiefe auf der Innenumfangsflache des Substrats angeordnet ist, während auf der Außenumfangsflache des Substrats eine n⁺-Typ-Schieht mit einer vorbestimmten Tiefe angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des pn-Obergangs an einem Abschnitt der Oberfläche des Substrats freiliegt, der zu einer kegelstumpfförmigen Fläche geformt ist.

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5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Innenumfangsflache des Substrats vorgesehene Elektrode die form eines Hohlzylinders besitzt.
6· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich dem des Halbleitermaterials des Substrats annähert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Innenumfangsfläohe des Substrats angeordnete Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Halbleitermaterials des Substrats besteht, und daß die auf der Außenumfangsflache des Substrats angeordnete Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, welcher denjenigen des Halbleitermaterials des Substrats nioht tibersteigt.

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