Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transisto ren, Fotodioden, V.ierschichtanordnungen u. dgl., be stehen meistens aus einem im wesentlichen einkristalli nen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder den intermetallischen Verbindungen der 11I. und V. bzw. der 1I. und VI. Gruppe des Periodischen Systems, auf den Elektroden, z. B. durch Diffusion oder Legie rung, aufgebracht sind.
Innerhalb des Halbleiterkörpers befinden sich für gewöhnlich mehrere Zonen unterschiedlichen Leit- fähigkeitstyps, welche durch pn-Übergänge voneinan der getrennt sind. Wenn derartige pn-Übergänge be- triebsmässig in Sperrichtung beansprucht werden, muss ein elektrischer Durchschlag und an den Stellen, an denen der pn-Übergang an die Oberfläche des Halb leiterkörpers tritt, ein Überschlag verhindert werden.
Die Halbleiterkörper werden zu diesem Zweck für ge wöhnlich verschiedenen Behandlungsverfahren unter worfen, durch welche Oberflächenverunreinigungen abgetragen und schützende Schichten, beispielsweise Oxydschichten, aufgebracht werden, mit deren Hilfe ein Überschlag am pn-Übergang an der Oberfläche ver hindert werden soll. Derartige Ätzverfahren, Oxyda tionsbehandlungen u. dgl. erfordern für gewöhnlich sehr grosse Sorgfalt und verteuern somit das End produkt beträchtlich.
Ausserdem liegt die Durch bruchspannung eines pn-Überganges an der Oberfläche eines Kristalls infolge anderer Feldverteilung erheblich niedriger als innerhalb des Kristallps. Deshalb wird im allgemeinen die Sperrfähigkeit eines gleichrichtenden Überganges durch den Oberflächendurchbruch be- stimmt. Die Erfindung sucht derartige Halbleiteran- ordnungen zu verbessern.
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiter körper und wenigstens zwei mit Kontaktelektroden versehenen Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps, welche durch einen pn-Übergang getrennt sind. Erfin- dungsgemäss :ist in die Oberfläche der einen Zone min destens eine Zone des entgegengesetzten Leitfähig keitstyps derart eingelagert, dass sie den an die Ober fläche tretenden Rand des pn-Übergangs vollständig umschliesst.
Ein derartiger Aufbau einer Halbleiteran ordnung kann zu einer erheblichen Ersparnis hinsicht lich der Oberflächenbearbeitung führen. Gleichzeitig lassen sich hiermit höhere Sperrspannungen erzielen.
Der Grund für die Erhöhung der Sperrspannung ist darin zu sehen, dass die Sperrspannung an der Oberfläche des Halbleiterkörpers sich nun auf meh rere pn-Übergänge verteilt. Der Spannungsabfall am einzelnen pn-Übergang kann deshalb verhältnismässig gering gehalten werden, wodurch es sich erreichen lässt, dass ein elektrischer Überschlag oder Durch bruch auch bei sehr geringen Oberflächenbearbeitun gen nicht mehr erfolgt.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Er findung näher erläutert werden. In den Figuren 1 bis 4 sind verschiedene Halbleiterdioden im Querschnitt der Deutlichkeit halber vergrössert und insbesondere in den Dickenverhältnissen stark verzerrt dargestellt.
Eine Halbleiterdiode, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, kann z. B. in folgender Weise hergestellt werden: Auf eine Molybdänscheibe von etwa 22 mm Durchmesser und etwa 2 mm Dicke wird eine Aluminiumscheibe von etwa 19 mm Durchmesser und etwa 50 [t Dicke aufgelegt. Auf diese Aluminium scheibe wird ein Plättchen aus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1000 Ohm cm und einem Durchmesser von etwa 18 mm aufgelegt. Das Plättchen kann z. B. 300 #t Dicke haben.
Darauf folgt eine Gold-Antimon-Folie mit beispiels weise 0,5% Antimongehalt, die einen kleineren Durch messer, z. B. 14 mm, als die Siliziumscheibe und eine Dicke von etwa 80 ut, aufweist. Eine ringscheibenförmi ge Folie aus dem gleichen Material und mit der glei chen Dicke, welche z. B. einen Innendurchmesser von 15 mm und einen Aussendurchmesser von 17 mm be sitzt, wird ebenfalls auf die Oberseite des Halbleiter plättchens aufgelegt, und zwar in der Weise, dass sie die erste Folie überall mit gleichem Abstand umgibt.
Das Ganze wird in ein mit diesen Materialien nicht reagierendes, nicht schmelzendes Pulver, beispielsweise Graphitpulver, eingepresst und auf etwa 800 C unter Anwendung von Druck erhitzt. Die Erwärmung kann beispielsweise in einem Legierungsofen durchgeführt werden, welcher evakuiert bzw. mit einem Schutzgas gefüllt ist.
Fig. 1 zeigt das Ergebnis. Auf einer Molybdän- scheibe 2 ruht eine Aluminium-Silizium-Legierung 3, an welche ein Siliziumkörper angrenzt, welcher auf der der Aluminiumlegierung zugewendeten Seite eine mit Aluminium hochdotierte p-leitende Zone 4 aufweist. Danach folgt eine schwach p-leitende Zone 5, welche aus dem ursprünglichen Halbleitermaterial der in den Legierungsofen eingebrachten Siliziumscheibe besteht.
Auf der Oberfläche liegt eine im wesentlichen aus dem Gold-Silizium-Eutektikum bestehende Ronde 6 auf einer mit Antimon dotierten und demzufolge n-leiten- den Zone 7 auf. Eine Ringscheibe 8, die ebenfalls im wesentlichen aus dem Gold-Silizium-Eutektikum be steht, ruht auf einer weiteren n-leitenden Zone 9, welche ebenfalls die Form einer Ringscheibe aufweist. Die Molybdänscheibe 2 ist mit einem Kontakt 10 ver sehen, welcher in der Zeichnung symbolisch als Zu führungsleiter dargestellt ist. Die Kontaktelektrode 6 besitzt ebenfalls einen Kontakt 11. Die Ringscheibe 8 kann, z. B. durch fitzen, entfernt werden.
Sie kann aber auch auf dem Halbleiterkörper belassen werden.
Der Abstand der Ringelektrode 8 von der Ronde 6 beträgt etwa 500 Et. Durch den Legierungsvorgang werden die Grössenverhältnisse der einzelnen Teile der Anordnung nur unwesentlich verändert, so dass sich durch die Bemessung der aufgebrachten Folie bereits eine Bemessung der fertigen Halbleiteranordnung er gibt. Der Abstand der Ringelektrode 8 bzw. der Zone 9 von dem an die Oberfläche tretenden pn-Übergang (äussere Grenze der Zone 7) wird zweckmässigerweise so gewählt, dass er eine oder mehrere Diffusionslängen der Minoritätsträger beträgt.
Hierdurch lässt sich ver hindern, dass die zusätzlich aufgebrachte Zone einen Transistoreffekt zeigt. Im Falle eines Transistors ist zu fordern, dass der Abstand des Emitters von der Basis kleiner oder gleich Y3 der Diffusionslänge beträgt. Wenn man den Transistoreffekt also verhindern will, so wird man den Abstand der zusätzlich eingelagerten Zone von dem pn-Übergang grösser oder gleich einer Diffusionslänge wählen.
Im vorliegenden Fall eines p-s-n-Gleichrichters be deutet dies, dass der Abstand der Ringelektrode 8 von der Ronde 6 etwa im Bereich von 0,5 bis 5 Basisdicken liegen sollte, da die Basisdicke, nämlich der lineare Abstand zwischen den Zonen 4 und 7, bei optimaler Dimensionierung eines p-s-n-Gleichrichters etwa 2 Dif fusionslängen betragen soll.
Im Betrieb der Halbleiterdiode liegt an den Kon takten 10 und 11 eine Wechselspannung. Die Diode lässt lediglich einen Durchlassstrom in Richtung von dem Kontakt 10 zu dem Kontakt 11 fliessen, während sie bei umgekehrter Polung der Wechselspannung an dem zwischen den Zonen 5 und 7 befindlichen pn-Übergang sperrt. Diese Sperrspannung ist durch verschiedene Umstände begrenzt, insbesondere durch die Dotierung des Materials sowie durch die Dicke der Zone 5. An der Oberfläche des Halbleiterkörpers ist die Sperrspannung, wie bereits beschrieben, durch Oberflächenverunreinigungen, wie z. B. Feuchtigkeit, und die Feldstärke begrenzt.
Durch die Aufteilung der Sperrspannung an der Oberfläche auf mehrere pn-Übergänge wird erreicht, dass der einzelne pn-Über- gang wesentlich geringer beansprucht ist und damit im Ganzen die Sperrspannung erheblich höher getrieben werden kann, z. B. auf 2000 V oder höher.
In dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 wird der Spannungsabfall der Sperrspannung zwischen den Kontakten 11 und 10 an der Oberfläche des Halbleiter körpers im wesentlichen durch den pn-Übergang zwi schen den Zonen 5 und 7 und durch den pn-Übergang am Aussenrand der Zone 9 getragen.
In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches in ähnlicher Weise wie das gemäss Fig. 1 hergestellt werden kann und welches im wesentlichen auch den gleichen Aufbau aufweist. Für gleiche Teile wurden die gleichen Bezeichnungen gewählt.
Lediglich die Herstellung der in die Oberfläche des Halbleiterkörpers eingelagerten Zonen entgegengesetz ten Leitfähigkeitstyps wurde bei diesem Beispiel in anderer Weise bewirkt. In die schwach p-leitende Zone 5 wurde nämlich von der Oberseite des Halbleiter körpers her ein n-dotierender Stoff, beispielsweise Phosphor, eindiffundiert, wodurch eine dünne n-leiten- de Zone entsteht, die z. B. 1 bis 10 [ stark sein kann. Diese n-,leitende Zone wird durch das Einarbeiten von Unterbrechungen 12 und 13 in einzelne ringscheiben förmige Zonen 14, 15 und 16 aufgeteilt. Die Vertiefun gen 12 und 13 können z.
B. durch Einätzen oder durch mechanische Einarbeitung hergestellt werden. Im Betriebsfall finden sich bei Beanspruchung der Halbleiterdiode in Sperrichtung drei hintereinander geschaltete pn-Übergänge an der Oberfläche des Halb leiterkörpers, welche zu der gewünschten Aufteilung der Sperrspannung führen.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfin- dung können die zusätzlich aufgebrachten Zonen mit e'ner der Kontaktelektroden über einen Widerstand verbunden sein. Hierdurch ist ihr Potential im Be triebsfall eindeutig festgelegt und die gleichmässige Be lastung der einzelnen pn-Übergänge gesichert. Der artige Widerstände sind zweckmässigerweise mit im Gehäuse der gekapselten Halbleiteranordnung unterge bracht.
Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführungsform. Es handelt sich um eine Halbleiteranordnung entspre chend Fig. 1. Hinzu kommt lediglich ein Widerstand 17 von einigen k S2, der zwischen die Kontaktelektro den 6 und 8 geschaltet ist. Gemäss einer weiteren Aus führungsform (siehe Fig. 4) kann dieser Widerstand als dünne Widerstandsschicht 18 ausgebildet sein, welche auf der Halbleiteroberfläche aufliegt und die einzelnen Zonen miteinander verbindet. Hierfür geeignet sind z. B. eine aufgedampfte Metallschicht, eine Oxyd schicht, Graphit oder ein metallhaltiger Lack.
Derartige an die Oberfläche tretende pn-Über- gänge ringförmig umgebende, in die eine Zone einge lagerte Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeits- typs können auch in anderer Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Diffusion mit Hilfe von Masken, wobei durch derartige Masken die Oberfläche mit Ausnahme eines ringförmigen Teils bedeckt ist. Eine weitere Herstellungsweise kann darin bestehen, dass ein dotierender Stoff in Form einer Paste auf die Halbleiteroberfläche in der gewünschten Form auf gebracht und anschliessend durch einen Erwärmungs vorgang in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird.
Eine derartige Diffusion mit Hilfe einer Paste kann beispielsweise beim Einlegieren der Kontaktelektroden 3 und 6 erfolgen.
Selbstverständlich .ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. So kann z. B. bei einem anderen Aufbau der Halbleiterdiode eine p-leitende Zone in das n-leitende Halbleitermate rial eingelagert werden, welche dann ebenfalls den an die Oberfläche tretenden pn-Übergang ringförmig um- schliesst. Zwecks Erhöhung der Sperrspannung kann die Zahl der hintereinander geschalteten pn-Übergänge praktisch beliebig gesteigert werden.
Auch andere Halbleiteranordnungen mit sperren den pn-Übergängen können in der erfindungsgemässen Weise aufgebaut sein; z. B. kann bei Transistoren :in der Nähe des Kollektor-pn-Überganges eine derartige eingelagerte und den pn-Übergang umschliessende zu sätzliche Zone angebracht werden. Bei Vierschichtan- ordnungen, welche z. B. als Stromtore verwendet wer den, können ebenfalls, insbesondere am mittleren pn-Übergang, derartige zusätzliche Zonen in dem Halbleiterkörper angebracht werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Anbringung einer zusätzlichen Zone besteht darin, dass ein beispiels weise stabförmiger Halbleiterkörper eines Leitfähig keitstyps mit einer Oberflächenschicht des entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyps, z. B. durch Diffusion, ver sehen wird. Nach dem Aufteilen in scheibenförmige Körper durch Schnitte senkrecht zur Stabachse sind die so gewonnenen Halbleiterscheiben gleich mit einer Randzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps versehen.