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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Mesa-Halbleiterbauelement mit hoher
Sperrspannung , insbesondere auf Dioden, Transistoren, Thyristoren oder dergleichen
mit einem in einer flachen Mesa-Nut endenden pn-Übergang.
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Aus der US-PS 3 628 106, Fig. 3, 6, 7 ist es bereits bekannt, einen
pn-Übergang zum Sperren einer hohen Spannung in einer inneren Oberfläche einer Nut
in Form eines geschlossenen Ringes enden zu lassen, die in einer Hauptfläche eines
Halbleitersubstrats ausgebildet ist, in dem sich der pn-Übergang befindet. In einer
Hauptfläche kann eine Öffnung der geschlossenen Ringnut vorhanden sein (Fig.3, 6
der US-PS 3 628 106), oder es können in einer hauptfläche und einer angrenzenden
Endfläche Öffnungen vorhanden sein (Fig.7 der. US-PS 3 628 106). Der Unterschied
der Form der Nut rührt daher, ob die Trennungsstelle bei Unterteilung eines Halbleiters
mit grosser Fläche in mehrere Halbleiterbauelement(.
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in die Nut fällt oder nicht. Line solche geschlossene Ringnut wird
im folgenden einfach als Mesa-Nut und ein in der Mesa-Nut endender pn-Übergang als
Mesa-Übergang bezeichnet.
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Der Mesa-Übergang eignet sich hinsichtlich der Ergiebigkeit bei der
Herstellung zur Herstellung einer Anzahl von Halbleitersubstraten aus einem grossflächigen
Halbleiterkörper. Er erleichtert weiter die Bildung einer starken Oberflächen-Passivierungsschicllt
aus anorganischem Material wie Glas und ist bei sehr zuverlässigen Bauelementen
zum Sperren hoher Spannungen geeignet. Demzufolge wird der Mesa-Übergang für allgemeine
Zwecke und bei Leistungs-Halbleiterbauelementen in weitem Maße angewendet.
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Da aber der Gradient der Störstellenkonzentration in der Nähe des
bekannten Mesa-Übergangs gross ist, wenn an dem Übergang in Sperrichtung eine Vorspannung
anliegt, erstreckt sich die Verarmungssicht kaum zu der Schichtseite des Übergangs
mit höherer Störstellenkonzentration. Infolgedessen steigt die elektrische
Oberflächen-Feldstärke
in der Nähe des Überganges, so daß es schwierig ist, eine hohe Sperrspannung ZU
erreichen. Normalerweis beträgt bei einer angelegten Spannung von 1700 bis 1800
V die elektrische Oberflächen-Feldstärke mehr als 200 kV/cm. Mit dem bekannten Mesa-Übergang
ist es daher nicht möglich, Spannungen über 700 bis 800 V zu snerren. Wenn eine
höher Sperrspannung als 700 bis 800 V erreicht werden soll, muss die Mesa-Nut so
tief sein, daß der Neigungswinkel der Oberfläche, in der der pn-Übergang frei liegt,
annähernd einem rechten Winkel oder ein positiver Neigungswinkel ist. Mit steigender
Tiefe der Nut nimmt aber die Stärke des restlichen Teils des halbleitersubstrats
unterhalb der Nut ab. Hierdurch erhöht sich die Gefahr eines Bruches des halbleiterssubstrat
während der llerstellung, so daß die Ausbeute entsprechend verschlechtet wird. Ferner
erhöht sich hierdurch die Gefahr, daß das Halbleitersubstrat sich nach der Ausbildung
der Nut oder der Oberflficl]ez-I'ess7vierungssicl1T, verwirft, wodurch cs äusserst
schwierig wird, anschliessend die Elektroden, insbesondere ein feines Elektrodenmuster
anzubringen. Weiter ist es schwierig, in der Nut eine gleichmässige Oberflächen-Passivierungssicht
auszubilden. Dies führt zu einer unvollkommenen Oberflächen-Passivierungsschicht
und damit zu einer Ver.
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schlechterung der Zuverlässigkeit. Darüber hinaus ist es schwierig,
iniolge der Widerctandsfähigkeit gegen Chemikalien die Nut durch chemische Ätzung
auszubilden, so daß zusammen mit der chemischen Ätzbehandlung eine mechanische Bearbeitung
nodwendig ist.
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Dies macht die Herstellung der Nut kompliziert.
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Zur Vermeidung des Bruches oder der Verwerfung des Halbleitersubstrats
wurde vorgeschlagen, ein starkes Halbleitersubstrat zu verwenden oder auf der Rückseite
des Halbleitersubstrats eine Verstärkungsplatte enzubringen. Das starke Halbleitersubstrat
hat jedoch eine Verschlechterung der Eigenschaften des Halbleiterbauelements zur
Folge: beispielsweise erhöht sich der Spannungsabfall in Durchlassrichtung. Die
Anbringung einer Verstärkungsplatte hat den Nachteil , daß sich hierdurch die
Anzahl
der Herstellungsschritte des Bauelements erhöht. Weiter is-t es bei manchen Bauelementen
nicht möglich, eine verstärkungsplatte anzubringen, beispielsweise bei Bilateralthyristoren,
bei denen Elektroden auf einer Hauptfläche aufgebracht sind, in der die Mesa-Nut
nicht ausgebildet ist.
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Ferner werden zum Stand der Technik folgende Druckschriften genannt:
1. EDN, 5. Juni 1975, S. 22 - 27: Fig. 6 auf Seite 26 zeigt einen einflächigen Thyristor
mit einer mit Clas gefüllten Mesa-Nut (Seite 26, rechte Spalte, Zeilen 3 bis 21).
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2. US-PS 3 642 597: Fig. 6 zeigt eine Diode mit einer mit Glas abgedeckten
Mesa-Nut (Spalte 9, Zeilen 37 bis 56).
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3. International Series of Monographs on Semiconductors, Bd. 9 (Pergamon
Press, 1969), S. 474 - 475.
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Diese Druckschrift zeigt Kennlinien der Abhängigkeit zwischen den
Konzentrationsgradienten und den Durchbruchspannungen für mittlere Konzentrationen
in den Diffusionsschichten von 1015 cm-3 1016 cm-3, 1017 cm-3 und 1018 cm-3 oder
mehr mit der Tiefe des Übergangs als Parameter.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mängel und Nachteile
des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll ein leicht . herzustellendes
Mesa-Malbleiterbauelement mit hoher Sperrspannung geschaffen werden.
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Bei dem erfindungsgemässen Mesa-Halbleiterbauelement ist der Gradient
der Störstellenkonzentration in der Nähe eines pn-Übergangs, der in einer Mesa-Nut
endet abgesenkt, und die Mesa-Nut flach ausgeführt. Insbesondere ist der Gradient
der
Störstellenlconzentration in der äe des in der Mesa-Nut endenden
pn-Übergangs nicht grösser als 3,5 x 1017 Atome/cm4 und die Tiefe der Mesa-hut ist
wenigstens gleich der Summe der Tiefe des pn-Übergangs und 10 % der Breite der beim
Anlegen einer Avalanche-Spannung an den pn-Übergang entstechenden Verarmungssicht:
die Breite der Mesa-Nut ist nicht kleiner als das 3-fache ihrer Tiefe.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile ergeben sich anhand der im folgenden
anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Mesa-Halbleiterbauelements,
Es zeigen: Fig. 1 den Querschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen
Mesa-Transistors, Fig. 2 im Diagramm die Abhängigkeit des Leckstroms von der Tiefe
der Mesa-Nut, Fig. 3 im Diagramm die Abhängigkeit der Produktionsausbeute von der
Stärke des unter der Nut verbleibenden Halbleitersubstrats, Fig. 4 im Diagramm die
Abhängigkeit des Leckstroms von der angelegten Spannung bei verschiedenen Nutbreiten,
Fig. 5 im Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke auf einer
Oberfläche, zu der der Übergang frei liegt, vom Gradicnten der Störstellenkonzentration
in der Nähe des Ubergangs, Fig. 6a in schematischen Querschnitten verschiedene Herstellungsbis
6f schritte des Mesa-Transistors der Fig. 1, Fig. 7 den schematischen Querschnitt
einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Mesa-Thyristors und Fig. 8 den schematischen
Querschnitt; einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Mesa-Dioade.
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Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemässen Mesa-Transistors.
Er enthält ein Halbleitersubstrat 1 mit einer ersten
und einer zweiten,
der ersten gegenüberliegenden Hauptfläche 11 bzw. 12, eine seitliche Endfläche 13,
die die erste mit der zweiten Hauptfläche verbindet, und eine geschlossene ringförmige
Mesa-Nut 14, die in der zweiten Hauptfläche 12 ausgebildet ist. Das Substrat umfasst
5 Bereiche: angrenzend an die erste hauptfläche 11 einen n+-leitenden Kollektorbereich
15, einen an den n+-leitenden Kollektorbereich 15 angrenzenden n-leitenden Kollektorbereich
16 (dessen Störstellenkonzentration geringer ist als die des Bereichs 15), einen
an den n-leitenden Kollektorbereich 16 angrenzenden p-leitenden Basisbereich 17,
der mit dem n-leitenden Kollektorbereich 16 einen Kollektor-Übergang JC bildet,
einen an den p-leitenden Basisbereich 17 angrenzenden p -leitenden basisbereich
18 mit einer höheren Störstellenkonzentration als der des p-leitenden Basisbereichs
17, und einen an den p+-leitenden Basisbereich 18 angrenzender n+-leitenden Emitterbereich
19, der mit dem p+-leitenden Kollektorbereich 18 einen Emitter-Ubergang JE bildet.
Der p+-leitende Basisbereich 18 ist so ausgebildet, daß seine der an den p-leitenden
Basisbereich 17 angrenzende Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche an die zweite
Hauptfläche 12 angrenzt. Der n+-leitende Emitterbereich 19 ist derart im p+-leitenden
Basisbereich 18 ausgebildet, daß der Emitterübergang JE in der zweiten Hauptfläche
12 endet. Die Mesa-Nut 14 erstreckt sich über den Kollektor-Übergang JC hinaus bis
zum n-leitenden Kollektorbereich 16, so daß der Kollektorübergang in der Oberfläche
der Mesa-Nut 14 endet und der p-leitende und der p+-leitende Basisbereich 17 bzw.
18 in einen mittleren und einen Umfangsteil unterteilt werden. Der n+-leitende Emitterbereich
19 ist im mittleren Bereich des p+-leitenden Basisbereich 18 ausgebildet. Eine Kollektorelektrode
2 steht in ohm'schem Kontakt mit dem n+-leitenden Kollektorbereich 15 auf der ersten
Hauptfläche 11. Eine Emittcrelektrode 3 steht in ohm'schem Kontakt mit dem n+-leitenden
Emitterbereich 19 auf der zweiten Hauptfläche 12, eine Basiselektrode 4 steht in
ohm'schem Kontakt mit dem p+-leitenden Basisbereich 18 auf der zweiten Hauptfläche
12; sie umgibt den n+-leitenden Emitterbereich
19. Auf die Oberfläche
der Mesa-Nut 14 ist eine Glasschi 5 zur Oberflächenpassivierung aufgebracht. Mit
6 ist schliesslich eine Halbleiteroxidschicht bezeichnet.
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Der vorstehend beschriebene Mesa-Transistor erfüllt die folgenden
Forderungen: a) Der Gradient der Störstellenkonzentratioin in der Nähe des Kollektorübergangs
JC ist nicht grösser als etwa 3,5 x 1017 Atome/em b) Die Breite der Mesa-Nut 14
beträgt wenigstens das 3-fache ihrer Tiefe; c) Die Tiefe der Mesa-Nut 14 ist wenigstens
gleich der Summe der Tiefe des kollektorübergangs JC und 10 % der Breite der beim
Anlegen einer vorbestimmten Spannung erzeugten Verarmungsschicht; die Stärke des
restlichen Teils des Halbleitersubstrats unterhalb der Nut ist nicht kleiner als
130 µm.
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Der derart aufgebaute Mesa-Transistor hat eine flache Mesa-Nut; trotzdem
kann die maximale elektrische Feldstärke auf der Oberfläche, an der der Kollektor-Übergang
JC frei liegt, auf etwa 200 kV/cm oder weniger vermindert werden. Auf diese Weise
kann eine hohe Sperrspannung erreicht werden. Im folgenden werden Versuche beschrieben,
die die Erfüllung der vorstehenden Erfordernisse nachweisen.
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Fig. 2 zeigt im Diagramm die Abhängigkeit des Leckstroms in der Nähe
der Avalanche-Spannung von der Tiefe der Mesa-Nut im Mesa-Halbleiterbauelement.
Die Kurve A zeigt die Kennlinie eines Nesa-Transistors mit einem dem der Fig. 1
im wesentlichen ersprechenden Querschnittsaufbau, bei dem die Tiefe des Kollektor-Übergangs
JC (Abstand von der zweiten Hauptfläche 12) 75 µm, der spezifische Widerstand des
nlienden Kollektorbereichs (16) 18 Ohmcm , der Konzentrationsgradient in der Nähe
des Kollektor-übergangs JC 9 x 1016 Atome/cm4, die Breite der Mesa-Nut (14) 300
µm, die Abmessungen des Halbleitersubstrats 4 x 4 mm und die Sperrspannung 1600
V
beträgt. Die Kurve B zeigt die Kennlinie eines Mesa-Transistors
der ebenfalls im wesentlichen den gleichen Querschnittsaufbau hat wie der der Fig.
1 und bei dem die Tiefe des Kollektor-Übergangs JC 45 µm, der spezifische Widerstand
des n-leitenden Kollektiorbereichs (60) 50 Ohmcm, der Konzentrationsgradient in
der Nähe des Kollektor-Übergangs JC 1.7 x 1017 Atome/cm4, die Breite er Mesp-Nut
(14) 100 µm, die Abmessungen des Halbleitersubstrats 1,2 x 1,2 mm und die Sperrspannung
1000 V beträgt, Gemäss Fig. 2 ist der Lckstrom auf einem niedrigen Wert konstant,
wenn die Tiefe der Mesa-Nut hinter den Übergang nicht weniger als 10 % der Breite
der Verarmungsschicht beträgt, die beim Anlegen der Avalanche-Spannung entsteht.
Die Tiefe der Mesa-Nut muss daher so gewählt werden, daß sie nicht kleiuer ist als
die Summe aus der Tiefe des Übergangs und 10 % der Brci-te der beim Anlegen der
Avalanche-Spannung an den aber gang entstehenden Verarmungsschicht.
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Eine weitere Grösse, die die Tiefe der Mesa-Nut begrenzt, ist die
Stärke des unterhalb der Nut verbleibenden Teils des Halbleitersubstrats. Fig. 3
zeigt die Abhängigkeit der Produktionsausbeute an halbleitersubstraten von der Reststärke
des Substrats unterhalb der Nut unter Berücksichtigung der bei der Herstellung der
Halbleiterbauelemente auftretenden Brüche. Die gezeigte Kennlinie bezicht sich auf
einen Mesa-Transistor mit den in Fig. 2 verwendeten für verschiedene Tiefen der
Mesa-Nut, d.h, verschiedene Reststärken des Halbleitersubstra-ts unterhalb der Nut.
Gemäss Fig. 3 nimmt die Ausbeute plötzlich ab, wenn die Reststärke des Halbleitersubstrats
unterhalb der Nut unter 130 iim absinkt. Die Verminderung der Ausbeute dürfte auf
die Festigkeit des halbleiterssubstrats und die Verwerfung des Halbleitersubstrats
nach der Ausbildung der Nut zurückzuführen sein. Daraus ergibt sich, daß die Tiefe
der Mesa-Nut nicht kleiner als die Summe aus der Tiefe des als Spannungssperr-Übergang
dienenden Übergangs und 10 So der Breite der beim Anlegen der Avalanche-Spannung
an den Übergang entstehenden Verarmungsschicht betragen und die Stärke des restlichen
Substrats unterhalb Nut nicht unter 130 µm liegen darf.
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Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des Leckstroms von der angelegten Spannung
mit der Breite der Mesa-Nut t als Parameter. Das Probe-Halbleiterbauelement war
ein Mesa-Transistor mit im wesentlichen dem Ouerschnittsaufbau der Fig. 1, bei dem
die Tiefe des Kollektor-Übergangs JC 45 µm, der spezifiische Widerstand des n-@eitenden
Kollektorbereichs 50 Ohmem, der Gradient der Ve unreiningungskonzentration in der
Nähe des Kollektor-Übergangs JC 1,7 x 1017 Atome/cm und die Tiefe der Mesa-Nut 70
be betrg. Die Kurve C gilt Îiir einen Mesa-Transistor, dessa Nut-Breite doppelt
so gross ist wie die Nut-Tiefe, die Kurve D gilt für eine Mesa-Transist mit einer
Nut-Breite, die das 2,5-fache der Nut-Tiefe und die Kurve F fjir einen mesa-Transister
mit einer Nut-Breite, die das 3-fache der Nut-Tiefe beträgt. Wenn die Nut schmal
ist steigt der Leckstrom allmählich an, d.h. die Kennklinie ist weich. Gemäss Fig.
3 ergibt sich bei einer Nut-Breite mit dem 3-fachen Wert der Mut-tiefe ein niedriger
Leckstrom und somit eine harte Kennlinie.
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Im folgenden wird der Konzentrationsgradient in der Nähe des Übergangs
zur Erhöhung der Sperrspannung erläutert. Die Sperrsparnung des halbleiterbauelements
wird durch die Durchbruchspannung an der Oberfläche bestimmt, weil der Teil es Halbleitersubstrats
in der Nähe seiner Oberfläche leicht durch die Atmosphäre beeinflusst werden kann
und eine niedrigere Druchbruchspannung als das Innere das Halbleitersubstrats hat.
um eine vorbestimmte Durchbruchspannung des Halbleiterbauelements zu erreichen,
muss daher verhindert werden, daß die Durchbruchspannung an der Oberfläche des Helbleiserköspert
niedrtger als die vorbestimmte Sperrspannung ist. Daher muss eine bestimmte elektrische
Feldstärke, bei der an der Obexfläche des Halbleitersubstrats des Mesa-Halbleiterbauelements
ein dielektrischer Durchbruch eintritt, bekannt sein. Für einen Mesa-Transistor
mit dem querschnittsaufbau der Fig. 1 1, bei dem die Tiefe des Kollekt.ortibergangs
JC 45 µm, der spezifische Widerstand des n-leitenden
Kollektor-bereichs
.50 ohmcm, die Stärke desselben 135 pm, der Verunreinigungkonzentrationsgredient
in der Nähe des Kollektor-Übergangs 1.7 x 1017 Atome/cm4, die Tiefe der Mesa-Nut
70 µm, die Breite derselben 300 µm und die Sperrspannung 1000 V betrug, wurde als
elektrische Feldstärke an der Oberfläche, zu der der Übergang frei liegt, unmittelbar
vor dem isolationsdurchbruch experimentell 200 kV/cm gemessen.
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Der gleiche Wert wurde ermittelt für einen Mesa-Transistor mit im
wesentlichen dem gleichen Querschnittsaufbau wie dem der Fig. 1, bei dem die Tiefe
des Kollektor-Übergangs JC 75 µm, der spezifische Widerstand des n-leitenden Kollektor-Berechs
90 Ohmcm, die Stärke dc-sselben 220 µm, der Verunreinigungskonzentrationsgradient
in der Nähe des Kollektor-Übergangs 9 x 10 Atome/cm , die Tiefe der Mesa-Nut 110
iun, ihre Breite 300 µm und die Sperrspannung 1500 V betrug.
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Dies zeigt, daß das Halbleiter-Bauelement so aufgebaut sein sollte,
daß die maximale elektrische Feldstärke an der Oberfläche, an der Übergang frei
liegt, nicht über 200 kV/cm liegen sollte, wenn an den Übergang eine einer vorbestimmten
Sperrspannung entsprechenden Spannung angelegt wird.
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Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke
auf der Oberfläche, an der der Übergang frei liegt, vom Gradienten der Verunreinigungskonzentration
in der Nähe des Übergangs, wenn an den Übergang eine gewünschte Spannung angelegt
wird. Die Kennlinie gilt für Mesa-Transistoren mit dem gleichen Aufbau und den gleichen
Eigenschaften wie denen, die bei der Bestimmung der maximalen elektrischen Feldstärke
an der Oberfläche, an der der Übergang frei liegt, verwendet wurden, bei verschiedonch
Konzentrationsgradienten in d des Übergangs. Gemäss Fig. 5 sollte der Gradient der
Verunreinigungskonzentration in der Nähe des Überganges 3,5 x 1017 Atome/cm4 oder
weniger betragen, um zu vermeiden, daß die maximale elektrische Feldstärke an der
Oberfläche, an der der Übergang frei liegt, 200 kV/cm übersteigt. Ist der spezifische
Widerstand des n-leitenden Kollektorbereichs wesentlich höher
als
der spezifische Widerstand, bei dem eine gewünschte Sperrspannung erreicht wird,
so ist die maximale elektrische Feldstärke an dieser Oberfläche selbst dann nicht
höher als 200 kV/cm , wenn der Gradient der Verunreinigungskonzentration in der
Nähe des Übergangs etwas mehr als 3,5 x 1017 Atome/cm4 beträgt. In diesem Fall muss
jedoch der Bereich mit hohem spezifischem Widerstand stark ausgeführt sein. Dies
führt zu einer Erhöhung der Einschaltspannung (Spannungsabfall in Durchlassrichtung),
wodurch die Eigenschaften des Bauelements nachteilig beeinflusst werden. Demzufolge
ist diese Lösung praktisch nicht anwendbar.
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Es wurde somit experimentell nachgewiesen, daß zur Erzielung einer
gewünschten Sperrspannung, vorzugsweise von 1000 V oder mehr, der Gradient der Verunreinigungskonzentration
in der Nähe des Übergangs nicht grösser als 3,5 x 1017 Atome/cm4, die Tiefe der
Mesa-Wut nicht kleiner als die Summe der Tiefe des als Sperrübergang dienenden Übergangs
und 10 % der Breite der beim Anlegen der Avalanche-Spannung an den Übergang entstehenden
Verarmungsschicht, die Reststärke des Halbleitersubstrats unterhalb der Nut nicht
geringer als 130 µm und die Nutbreite wenigstens das 3-fache der Nuttiefe sein sollte,
so daß die maximale Feldstärke an der Oberfläche, an der der Übergang frci liegt,
nicht mehr a]s 200 kV/cm beträgt, wenn die der Sperrspannung entsprechende Spannung
angelegt wird.
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Fig. 6a bis 6f zeigen in schematischen Querschnitten verschiedene
Stufen der lierstellung eines Mesa-Transistors.
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Gemäss Fig. 6a wird ein n-leitendes Siliciumsubstrat mit einem spezifischen
Widerstand von 65 Ohmcm und einer Stärke von 350 µm hergestellt, auf dessen eine
Oberfläche Phosphor in herkömmlicher Weise diffundiert wird. Hierbei entsteht ein
n+-leitender Kollektorbereich 15 mit einer Stärke von 90 µm,.
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der sich über die gesamte Oberfläche des n-leitenden Siliciumsubstrats
erstreckt. Darauf wird in 2 Schritten auf die gegenüberliegende
Fliche
des n-leitenden Siliciumsubstrats Gallium diffundiert . Zunächst wird Gallium derart
elndiffundiert, daß eine Schicht von 75 µm Stärke mit einer maximalen Galliumkonzentration
von 1 x 1016 Atomen/cm3 entsteht. Bei der zweiten Galliumdiffusion entsteht eine
Schicht von 35 µm Stärke und einer maximalen Galliumkonzentration von 3 x 1018 Atomen/cm³.
Auf diese Weise entstehen ein p-kleitender Basisbereich 17 und ein p+-leitender
Basisbereich 18 ; der verbleibende Teil des n-leitenden Siliciumsubstrats dient
als n-leitender Koliektorbereich 16 (Fig. 6b).
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Gemäss Fig. 6c wird dann in die Oberfläche des p+-leitenden Basisbereichs
18 selektiv Phosphor eindiffundiert. hierbei entsteht cin n+-leitender Emitterbereich
19 mit einer Stärke von 20 um. Durch die beschriebenen Diffusionen wird auf beiden
Seiten des Siliciumsubstrats eine Oxidschicht 6 gebildet.
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Danach wird ges Fig. 6d durch herkömmliche Photoätzung einc Mesa-Nut
14 mit einer Tiefe von 110 µm ausgebildet, die aus dem p+-leitenden Basisbereich
18 bis zum n+-leitenden Kollektorbereich 16 reicht. Gemäss Fig. 6e wird darauf auf
der Mesa-Nut 14 eine Glasschicht 5 ausgebildet, und zwar durch Elektrophorese. Darauf
wird die Oxidschich-t 6 an den Flächen, an denen die Elektroden ausgebildet werden
sollen, durch herkömmliche Photoätzung entfernt und es werden an den frei liegenden
Fäciien aus dem Vakuum Elektrodenmetalle ausgebildet; hierbei entstehen eine Kollektorclektrode
2, eine Emitterelektrode 3 und eine Basiselektrode 4 (Fig. 6f).
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Scuhliesslich wird das Siliciumsubstrat längs der strichpunktierten
Linien der Fig. 6f zerschnitten, so daß der in Fig. 1 gezeigte Mesa-Transistor entsteht.
Der Gradient der Verunreinigungskonzentration in der Nähe des Kollektor-Übergangs
des sich ergebenden Mesa-Transistors betrug 9,0 x 10 Atome/cm.
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die maximale elektrische Feldstärke an der Oberfläche, an der der
Übergang frei liegt betrug bei einer angelegten Spannung
von 1500
V 167 kV/cm, die Sperrspannung betrug 1750 V. Die Stärke des verbleibenden Teils
des Substrats unterhalb der Nut betrug 240 µm und war damit ausreichend stärker
als 130 µm. Das Siliclumsubstrat ist daber während der Herstellung weder gebrochen
noch hat es sich verformt, so daß die Ausbeute erhöht werden konnte.
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Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemässen Mesa-Thyristors.
Dieser enthält ein Halbleitersubstrat 71 mit einer ersten und einer die sei gegenüberliegenden
zweiten Hauptfläche 711 bzw. 712, eine die erste und zweite Hauptfläche verbindende
seitliche Oberfläche 713 und eine in der zweiten Hauptfläche 712 ausgebildete Mesa-Mut
714 in Form eines geschlossenen Ringes. In dem Substrat sind vier durchgehende Schichten
PE' NB' PB und NE ausgebildet. Die Schicht PE ist eine p-leitende Emitterschicht
mit einem p+-leitende Emitterbereich 715 angrenzend an die erste Hauptfläche 711
und einem p-leitenden Emitterbereich 716 angrenzend an den p+-leitenden Emitterbereich
715; ihre Verungreinigungskonzentration ist geringer als die des p -leitenden Emitterbereichs
715. Die Schicht N@ ist eine n-leitende Basisschicht angrenzend an den p-leitenen
Emitterbereich 716; sie bildet mit dem p-leitenden Emitterbereich 716 einen ersten
pn-Übergang J1. Die Schicht PB ist eine p-leitende Basisschicht mit einem p-leitonden
Basisbereich 717 angrenzend an die n-leitende Basisschicht sie bildet zusammen mit
diezer und einem p+-leitenden Basisbereich 718 angrenzend an den p-leitenden Basisbereich
17 einen zweiten pn-Übergang J2; ihre Störstellenkonzentration ist grösser als die
des p-leitenden Basisbereichs 717. Die Schicht NE ist eine n-leitende emitterschicht
angrenzend au den p+-leitenden Basisbereich 718, der mit der Schicht NE einen dritten
pn-Übergang J bildet. Die Mesa-Nut 714 reicht bis zur nleitenden Basisschicht NB.
Die Enden des ersten und des zweiten pn-Übergangs J1 bzw. J2 liegen an der Oberfläche
der Nut frei.
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Infolgedessen wird nur ein Teil der n-leitenden Basisschicht NB an
der Oberfläche der Mesa-Nut 714 freigelet, während der Rest vom p-leitenden Emitterbereich
716 und vom p-leitenden
Basisbereich 717 umschlossen ist. Die n-leitende
emitterschicht NE is-t im p+-leitenden Basisbereich 718 so ausgebildet, dass der
dritte pn-übergang J3 in der zweiten Hauptfläche 712 endet. Eine Anodenelektrode
72 steht in ohm'schem Kontak mit dem p+-leitenden Emitterbereich 715 auf der ersten
Hauptfläche 711. Eine Kathodenelektrode 73 steht in ohm'schem Kontakt mit der n-leitenden
Emitterschicht NB auf der zweiten Hauptfläche 712, eine Gate-elektrode 74 steht
in chm'schem Kontakt mit dem p+-leitenden Basisbereich 718 auf der zweiten Hauptfläche
712 und umgibt die n-leitende Emitterschicht NE.
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Eine die Oberfläche passivierende Glasschicht 75 ist auf die Oberfläche
der Mesa-Nut 714 aufgebracht. Mit 76 ist schliesslich eine Halbleiteroxid-schicht
bezeichnet.
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Das Halbleiterbauelement nach Fig. 7 ist elxnfalls so aufgebaut, daß
der Gradient der Störstellenkonzentration in der Nähe des zweiten pn-Übergangs J2
nicht grösser ist als 3,5 x 1017 Atome/cm4, die Tiefe der Mesa-Nut 714 nicht weniger
als die Summe die Tiefe des zweiten Übergangs J2 und 10 % der Breite der beim Anlegen
der Avalanche-Spannung an den zweiten Übergang J2 entstehenden Verarmungsschicht,
die Reststärke des Halbleitersubstrats unterhalb der Mesa-Nut nicht weniger als
130 µm und die Nutbrei-te wenigstens das 3-fache der Nuttiefe beträgt. Dabei ist
die maximale elektrische Feldstärke an der Oberfläche, an der der zweite pn-Übergang
J2 frei liegt, nicht grösser als 200 kV/cm wenn eine der Sperrspannung entsprechende
Spannung angelegt wird. Bei dem Mesa-Thyristor nach der Ausführungsform der Fig.
7 kann eine Sperrspannung von 1000 V oder mehr erreicht werden, ohne den Spannungsabfall
in Durchlassrichtung und andere Kennwerte nachteilig zu beeinflussen. Da bei dem
erfindungsmäss aufgebauten Halbleiterbauelement der Störstellengradient in der Nähe
des ersten pn-Übergangs J1 im wesentlichen gleich ist dem in der Nähe des zweiten
pn-Übergangs J2, kann ein Thyristor mit hohen Sperrspannungen in Durchlass- und
Sperrrichtung erzielt werden.
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Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgsgemässen Mesa-Diode.
Diese enthält ein Halbleitersubstrat 81 mit einer ersten und einer zweiten , der
ersten gegenüberliegenden Hauptfläche 811 bzw. 812, eine die erste mit der zweiten
Hauntfläche verbindende seitliche Endfläche 813 und eine in der zweiten Hauptfläche
812 ausgebilete geschlossen ringförmige Mcpr,-Nut 814. In den Substrat sind angrenzend
an die erste Hauptfläche 811 ein n+-leitender Bereuich 815, angrenzend an denn+-leitenden
Bereich 815 ein n-leitender Bereich 816, dessen Störstellenkonzentration niederiger
ist als d.i.e des n+-leitenden Bereichs 815, angrenzend an den n-leitenden Bereich
816 ein mit diesem einen pn-Übergang J0 bildender p-leitender Bereich 817 und angrenzend
an den p-litenden Bereich 817 ein p-leitender Bereiche 818 ausgebildet, dessen Störstellenkonzentration
höher ist als die des p-leitenden Bereichs 817. Der Boden der Mesa-Nut 814 befindet
sich an einer Seite des n-leitenden Bereichs 816 des pn-Übergangs J0. Der pn-Übergang
J0 endet also in der Oberfläche der Mese-Nut 814, Eine Kathodenelektrode 82 steht
in ohm'schem Kontakt mit dem n+-leitenden Bereich 815 auf der ersten Hauptfläche
811, eine Anodenelektrode 83 stcht in o@m'schem Kontakt mit dem p+-leitenden Bereich
818 auf der zweiten Hauptfläche 812. Die Oberfläche der Mesa-Not 814 ist mit einer
die Oberfläche passivierenden Glasschicht 84 abgedeckt.
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Das Halbleiterbauelement nach diesem Ausführungsbeispiel ist ebenfalls
so aufgebaut, daß der Gradient der Störstellenkonzentration in der Nähe des pn-Übergangs
J0 nicht grösser als 3,5 x10-17 Atome/cm4, die Tiefe er Mesa-Nut 814 nicht weniger
als die Summe der Tiefe des pn-Übergangs JO und 10 % der Breite der bei. Anlegen
einer Avalanche-Spannung an den Übergang JO entstehenden Verarmungsschicht, die
Reststärke des Halhleitersubstrats unterhalb der Nut nicht wcniger als 130 um und
die Nutbreite wenigstens das 3-fache der Nuttiefe
ist. Die maximale
elektrische Feldstärke an der Oberflöche, an der der pn-Übergang frei liegt, ist
damit nicht nher als 200 kV/cm, wenn eine der Sperrspannung entsprechende Spanunung
an den Übergeng engelegt wird. Bei der vorliegenden AusfÜhrungsform kann eine Mesa-Diode
mit einer Sperrspannung von 1000 V oder mehr ohne Erhöhung des Spannungsabfalls
in Durchlassrichtung erzlelt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Beispielsweise sind folgende Abwandlungen mäglich: 1. Bei dem Mese-Transistor
der Fig. 1 können der p-leitenden Basisbereich 17 und der p+-leitende Pasisbereich
18 aus einem einzigen Bereich bestehen, dessen Störstellenkonzentration in Richtung
vom Kollektor-Übergang JC zur zweiten Hauptfläche 12 koptinuierlich ensteigt.
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2. Der Mesa-Transistor der Fig. 1 kann längs der fast senktrecht zu
den Hauptflächen verlaufenden und durch die Mitten oder deren Nähe der jeweiligen
mesa-Nuten geschnitten sein.
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3. Bei dem Mesa-Thyristor de Fig. 7 können der p-leitende Basisbeceich
717 und der p+-leitende Basisbereich 718 aus einem einzelnen Bereich bestehen, dessen
Störstellenkonzentration in Richtung vom zweiten un-Übergang J2 zur zweiten Hauptfläche
712 kontinuierlich ansteigt.
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4. Der Mesa-Thyristor der Fig. 7 kann längs der durch die mittlerce
Derciche das jzwciligen mess-Nuten @enlaufenden Strichpunktierten Linien verlaufen.
Die strichpunktierterten Linien der Fig. 7 können f(St senkrecht zu den Heuptflächen
oder schräg zu denselben verlaufen , so daß die Breite zwischen den beiden strichpunktierten
Linien auf der Hauptfläche 712 schmaler als auf der Hauptfläche 711 wird. Bei der
letzteren Ausfübrung kann eine höhere Sperrspannung eszielt werden.
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5. Bei dem Mesa-Thyristor der Fig. 7 kann der erste pn-Übergang J1
zur Endfläche 713 frei liegen.
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6. Bei dem Mesa-Thyristor der fig. 7 können der p-leitende Emitterbereich
716 und der p-leitende Basisbereich 717 durch Eindiffundieren von Aluminium und
der p -leit,ende Emitterbereich 715 und der p+-leitende Basisbereich 718 durch Eindifundieren
von Aluminium und Gallium oder Bor hergestellt sein.
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Die in Fig. 8 gezeigte Mesa-Diode kann längs fast senkrecht zu den
hauptflächen und durch die Mitien oder in deren Näche der jeweiligen Mesa-Nuten
verlaufenden strichpunktierten Linien geschnitten sein.
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Durch die Erfindung kann also ein Halbleiterbauelement mit einer flachen
Mesa-Nut erzielt werden, das eine hohe Sperrspannung aufweist. Dementsprechend werden
die Herstellung vereinfacht und, da Brüche und Verwerfungen des Halbleitersubstrats
verhindert werden, die Ausbeute erhöht, und die Herstellungskosten stark vermindert
werden.
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L e e r s e i t e