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HALBLEITERBAUELEMENT HOHER
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SPERRSPANNUNGSBELASTBARKEIT Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement
hoher Sperrspannungsbelastbarkeit mit einem Halbleiterkörper, der eine Folge von
Zonen unterschiedlichen Leitungstyps mit wenigstens einem pn-Übergang und an wenigstens
einer Hauptfläche seiner Zonenfolge eine grabenförmige Vertiefung aufweist, in welcher
der pn-Übergang an die Oberfläche tritt und mit einem passivierenden und stabilisierenden,
ein Glas enthaltenden Überzug abgedeckt ist.
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Sie durch Bemessung und Technologie erzielbare Sperrspannungsbelastbarkeit
von Halbleiterbauelementen wird durch schädliche Oberflächeneffekte im Bereich des
Austritts des pn-Übergangs an die Oberfläche des Halbleiterkörpers nachteilig verringert.
Eine der bekannten Maßnahmen zur Vermeidung dieses Nachteils ist die Anordnung einer
grabenförmigen, bedarfsweise in sich geschlossenen Vertiefung in einer der Hauptflächen,
die sich von dieser bis über den mit Sperrspannung zu belastenden pn-Übergang hinaus
erstreckt und mit geneigten Seitenflächen versehen sein kann; sowie die Abdeckung
der Halbleiteroberfläche in dieser Vertiefung mit einer passivierenden und stabilisierenden
Substanz.
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Mit einer solchen, weiterhin als Grabenstruktur bezeichneten Ausbildung
wird außer der Erhöhung der kritischen
Oberflächenfeldstärke im
Bereich des Austritts des pn-Überganges auch eine optimale Nutzung der sogenannten
aktiven Fläche des Halbleitermaterials erreicht.
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Als Substanz zur Oberflächenpassivierung wurden Schutzlacke auf Siliconbasis
verwendet. Die Praxis hat gezeigt, daß die Sperrspannungsbelastbarkeit von Bauelementen
mit derartigen Grabenstrukturen wegen der relativ eng beabstandeten Grabenwände
und deren Kanten an der Hauptfläche mittels solcher Schutzlacke nicht optimierbar
ist. Eine wesentliche Verbesserung brachte die Verwendung von glasartigen Überzügen
anstelle dieser Schutzlacke (vgl. DE-OS 26 33 324, DE-OS 27 30 566), wobei vorzugsweise
auf dem Halbleitermaterial zur guten Verbindung desselben mit dem Glas eine SiO2-Schicht
und auf dieser eine Schicht z. B. aus einem Phosphorsilicatglas oder einem Zinkborsilicatglas
aufgebracht sind.
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Mit derartigen Strukturen wurden im Bereich der Sperrspannungsbelastbarkeit
bis etwa 1500 V günstige Ergebnisse erzielt. Den Forderungen von Anwendern nach
Einsatz von Halbleiterbauelementen bei höherer Sperrspannung werden solche Strukturen
jedoch nicht gerecht.
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Es hat sich gezeigt, daß insbesondere die herstellungsbedingt zu den
Grabenkanten hin abnehmende Schichtdicke des Glases, ferner die geforderte, zwecks
Optimierung der aktiven Halbleiterfläche möglichst geringe Grabenbreite und die
infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Glas- und Halbleitermaterial
notwendige Beschränkung der maximalen Glasschichtdicke den Einsatz solcher Strukturen
bei Sperrspannungswerten über dem angegebenen Bereich nicht zulassen. Jedoch verbleiben
auch bei gezielter Verbreiterung der Grabenbasis an den Grabenkanten Schwachstellen
im
Verlauf der Oberflächenfeldstärke. Eine Schichtdickenänderung an den Grabenkanten
ist nicht in gewünschter Weise möglich, und außerdem ist keine beliebig dicke Glasschicht
herstellbar. So können offenbar die Anforderungen, welche bei einer Grabenstruktur
an einen passivierenden und stabilisierenden Überzug zu -stellen sind, von einem
Überzug aus Glas allein nicht erfüllt werden, obwohl die bekannten Gläser hohes
Isolationsvermögen für hohe Sperrspannungsbelastbarkeit, ausreichende thermische
Beständigkeit, ausreichende Feuchtedichte sowie chemische Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse
gewährleisten.
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Es lag daher die Aufgabe zugrunde, für eine Grabenstruktur bei Halbleiterbauelementen
einen stabilisierenden und passivierenden Überzug anzugeben, welcher eine im Vergleich
zu bekannten Anordnungen höhere Sperrspannungsbelastbarkeit zuläßt.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Überzug aus einer
ersten, unmittelbar auf dem Halbleiterkörper aufgebrachten Schicht aus einem Glas
und aus einer zweiten, auf dem Glas angeordneten Schicht aus Kunstharz besteht.
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Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Ansprüchen 2 bis 11 gekennzeichnet.
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Der Überzug nach der Erfindung zeigt die Vorteile einer verfahrenstechnisch
besonders einfachen Beschichtung einer Glasabdeckung mit einer dünnen Abschlußschicht,
einer höheren Langzeitstabilität der Bauelemente bei allen auftretenden Betriebstemperaturen
sowie einer Verringerung des mit der Herstellung der zweiten Schicht auf Kunstharz
verbundenen Aufwandes gegenüber bekannten Bauformen.
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Nun ist es z. B. aus der DE-OS 17 64 977 bekannt, direkt ober über
eine Passivierungsschicht aus SiO2 oder Si3N4 auf dem Halbleitermaterial einen Überzug
aus einem Polyimid aufzubringen. Nachdem diese genannten Passivierungsschichten
eine hohe Feuchedurchlässigkeit zeigen und außerdem aus wirtschaftlichen und physikalischen
Gründen nur sehr dünn herstellbar sind, käme zusätzlich dem Überzug aus Polyimid
die Funktion einer passivierenden und stabilisierenden Beschichtung zu, für die
dieses Material allein, wie Untersuchungen gezeigt haben, nicht ausreichend ist.
Derartige Überzüge erfüllen die an hochsperrende Bauelemente gestellten. Anforderungen
nicht.
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Dasselbe gilt vielmehr noch für Ausführungsformen, bei welchen die
Halbleiteroberfläche direkt und ausschließlich mit einem Polyimid beschichtet ist.
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Weiter ist es aus der DE-OS 26 34 568 bekannt, auf die Halbleiteroberfläche
zur Erzielung einer ladungsneutralen Passivierungsschicht, um durch Überlagerung
von Ladungen entstehende, unerwünscht hohe Oberflächenfeldstärken zu vermeiden,
zuerst einen Überzug aus einem Polimid und darüber eine Beschichtung aus Glas anzuordnen.
Es ist ausdrücklich Glas als zweite Schicht vorgesehen. Andernfalls, d. h. bei direkter
Anordnung von Glas auf dem Halbleitermaterial, soll die Gefahr der Verunreinigung
der Halbleiteroberfläche mit Alkaliionen, insbesondere mit Natriumionen, bestehen,
und weiterhin soll bei unmittelbarer Glasabdeckung durch von der Anordnung des Glases
herrührende Oberflächenladungen der Verlauf der Verarmungsschicht in der Nähe der
Halbleiteroberfläche in unerwünschter Weise verändert werden.
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Für derartige Beschichtungen gelten die obigen Feststellungen bezüglich
der direkten Anordnung von Poly-
imid auf dem Halbleitermaterial,
Anhand des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles eines scheibenförmigen
Halbleiterkörpers mit einem pn-Übergang wird die Erfindung aufgezeigt und erläutert.
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Der Halbleiterkörper I weist in einer Folge von schicht förmigen Zonen
eine hochohmige Mittelzone 1 vom ersten Leitungstyp, daran angrenzend eine höher
dotierte Zone 2 entgegengesetzten Leitungstyps und an der gegenüberliegenden Seite
eine Zone 3 auf, welche bei steuerbaren Halbleiterbauelementen vom gleichen Leitungstyp
wie die Zone 2 oder bei Gleichrichterdioden vom gleichen Leitungstyp wie die Zone
1 ist. Es kann auch ein Halbleiterkörper vorgesehen sein, der mit Hilfe eines Diffusionsverfahrens
eine Schichtenfolge mit in sich geschlossener pn-Übergangsfläche aufweist, wie dies
durch die gestrichelte Linie dargestellt ist.
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Im Falle durchgehender schichtförmiger Zonen unterschiedlichen Leitungstyps
trennt die grabenförmige Vertiefung 6 die plane pn-Übergangsfläche J1 auf, und im
anderen Falle wird die in sich geschlossene pn-Übergangsfläche durch die grabenförmige
Vertiefung 6 in eine Teilfläche J' und in eine weitere Teilfläche J'' unterteilt.
Bei dem zuletzt genannten Aufbau haben die Zonen 2 und 3 gleichen Leitfähigkeitstyp,
und die links von der Vertiefung 6 verbleibende Teilzone 5' weist den Leitfähigkeitstyp
der Zonen 2 und 3.auf. Da die Halbleiterzone 3 für den Gegenstand der Erfindung
ohne Bedeutung ist, ist sie nicht weiter beschrieben und dargestellt.
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Die Vertiefung 6 erstreckt sich von der Hauptfläche des Halbleiterkörpers
I durch die äußere Zone 2 und die
pn-Übergangs fläche J1 in die
Mittelzone 1. Dadurch tritt der pn-Übergang jeweils an einer Seitenwand der Vertiefung
6 an die Oberfläche.
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Erfindungsgemäß ist die Vertiefung 6 mit einer glasartigen Substanz
7 annähernd gefüllt. Als geeignet haben sich Zinkborsilicatgläser und Bleialumosilicatgläser
erwiesen.
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Diese erste, aus Glas bestehende Schicht kann in bekannter Weise aus
zwei Teilschichten bestehen, nämlich aus einer Basisschicht (7a), die über eine
Oxidschicht des Halbleitermaterials fest mit dem Halbleiterkörper verbunden ist,
und aus einer abschließenden Teilschicht (7b) mit einem Zusatz an Quarz, wodurch
der thermische Ausdehnungskoeffizient demjenigen des Halbleitermaterials besonders
gut angepaßt ist.
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Die auf der ersten Schicht 7 aus Glas aufgebrachte zweite Schicht
8 aus Kunstharz füllt die Vertiefung 6 aus und erstreckt sich zur Abdeckung der
Grabenkanten über dieselben hinaus. auf einen daran angrenzenden Randbereich der
Halbleiteroberfläche, dessen Ausdehnung unkritisch ist. Ein solcher Überzug gemäß
der Erfindung ergibt eine weitere beträchtliche Erhöhung der Sperrspannungsbelastbarkeit
gegenüber Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen mit einer Passivierungsschicht
aus einem Glas und einer abschließenden Schicht aus einem Schutzlack, z. B. auf
Siliconbasis. Gerade bei Halbleiterkörpern mit Grabenstruktur, auf die sich die
Erfindung insbesondere bezieht, treten auf Grund der gegebenen Geometrie Oberflächeneffekte
auf, welche eine besonders hoch isolierende, und hochreine, abschließende Schicht
erforderlich machen. Eine solche Schicht aus einem Polyimid oder aus einem Derivat
von
Polyimiden zeigt gute Verträglichkeit mit dem Glas, sehr geringe
Durchlässigkeit für atmosphärische Einflüsse, die notwendige hohe Reinheit, einen
kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als bekannte Harzsorten auf Siliconbasis
sowie, gegenüber den letzteren, wesentlich höhere Durchschlagsfestigkeit. Mit Polyimid-Silicon-Copolymeren
wurden günstige Ergebnisse erzielt. Dabei kann die Polyimidkomponente z. B. nach
folgender Strukturformel aufgebaut sein:
wobei Q für eine zweiwertige,siliconfreie,organische Gruppe und R'' für eine vierwertige,organische
Gruppe steht sowie m größer 1 sein soll. Weiter kann die Siliconkomponente der Strukturformel
entsprechen, wobei R für eine zweiwertige Kohlenwasserstoffgruppe und R' für eine
einwertige Kohlenwasserstoffgruppe steht und x größer Null sein soll. Die Siliconkomponente
ist vorteilhaft zu einem Anteil von 20 bis 50 Mol% des Copolymers, vorzugsweise
zu einem Anteil von 35 bis 40 Mole, in die Polyimidkomponente einkondensiert.
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Die für die zweite Schicht 8 des Überzuges nach der Erfindung vorgesehenen
Substanzen sind an sich bekannt.
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Jedoch gerade ihre Verwendung zusammen mit einem passivierenden und
stabilisierenden Glas in der angegebenen Folge insbesondere bei Grabenstrukturen
ermöglicht überraschend eine Oberflächenabdeckung, welche höchsten Ansprüchen in
bezug auf Sperrspannungsbelastbarkeit und
Langzeitstabilität genügt.
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Als Siliconanteile sind solche mit aromatischem Rest oder aliphatischem
Rest besonders geeignet. Die verwendeten.Polyimide sind z. B. gegen Salpetersäuredämpfe
resistent, außerdem gegen hohe Feuchte und hohe Temperatur. Sie sind beständig gegen
Klimakammerbedingungen.
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Versuche haben gezeigt, daß Halbleiterbauelemente mit einem Überzug
nach der Erfindung im Anschluß an Dauerprüfungen unter Klimakammerbedingungen sofort
die volle Sperrspannungsbelastbarkeit aufweisen. Bei einer Dauerbelastung über 1000
Stunden mit 1200 C Gehäusetemperatur und 1600 V blieb der Sperrstrom im. wesentlichen
unverändert, während bei Bauformen mit handelsüblichem Siliconkautschuk als abschließender
Schicht bei 16 Stunden Beanspruchung mit 1200 V der Sperrstrom auf den mehrfachen
Wert des Anfangswertes angestiegen war.
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Die Schichtdicke der vorgesehenen Glas sorten liegt im Bereich 25
- 75 ßm, diejenige der abschließenden Polyimidschicht im Bereich 5 - 100 ßm.
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Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen nach der Erfindung
werden in üblicher Weise die grabenförmigen Vertiefungen 6 des Schichtenaufbaues
1, 2, 3, 4 mit einem Glas gefüllt. Dazu wird vorzugsweise die Grabenwand mit einer
dünnen Schicht aus SiO2 versehen,und auf dieselbe wird eine flüssige Mischung mit
den Glaskomponenten aufgebracht, aus welcher bei entsprechendem Temperaturgang zunächst
das Lösungsmittel verdampft und sich weiter ein glasartiger Überzug 7 auf der SiO2
-Schicht bildet. Durch Aufstreichen, Tauchen oder Schleudern bei Raumtemperatur
an Luft wird danach die abschließende, zweite Schicht 8 aus Polyimid aufgebracht,
und anschließend wird die zur Kontaktierung vorgesehene Fläche mit einer Kontaktmetallschicht
4 versehen.