DE2354489A1

DE2354489A1 - Schottky-sperrschichtdioden

Info

Publication number: DE2354489A1
Application number: DE19732354489
Authority: DE
Inventors: Linus Francis Cordes; Marvin Garfinkel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-11-01
Filing date: 1973-10-31
Publication date: 1974-05-09
Also published as: US3849789A; IT998854B; GB1451054A; JPS4996677A; NL7314944A; FR2204893B1; FR2204893A1

Description

Schottky-Sperrschichtdioden

Die Erfindung bezieht sich auf Schottky-Sperrsch.ichtdioden. In einer Schottky-Sperrschichtdiode, die einen Körper aus Halbleitermaterial und einen daran angebrachten metallischen Sperr-, kontakt aufweist, wird der Spannungsabfall in Durchlassrichtung über den Klemmen der Diode durch einen Spannungsabfall über der Sperrschicht und einen Spannungsabfall über dem Widerstand des mit den Klemmen in Reihe geschalteten Halbleiterkörpers gebildet, der als der Reihenwiderstand der Diode bezeichnet, wird. Bei vielen Applikationen ist es erwünscht, den Reihenwiderstand der Diode zu verkleinern, da er einen Leistungsverbrauch darstellt und somit den Wirkungsgrad der Diode verkleinert. Der Reihenwiderstand kann verkleinert werden, während die Spannung,

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bei der die Diode bei Vorspannung in Sperrichtung zusammenbricht, konstant gehalten wird, indem die Querschnittsfläche der Diode vergrössert wird. Kin solcher Ausweg vergrössert jedoch den Sperrstrom und erfordert darüber hinaus die Verwendung von zusätzlichem ausnutzbarem Halbleitermaterial.

Gemäss einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine Schottky-Sperrschichtdiode geschaffen, die eine kleinere Querschnittsfläche aufweist und weniger Halbleitermaterial verwendet, während sie für den gleichen oder einen kleineren Reihenwiderstand sorgt als eine konventionelle Diode, die den gleichen Wert der Durchbruchsspannung in Sperrichtung aufweist. Diese Diode enthält eine Schicht aus Halbleitermaterial des einen Leitfähigkeitstyps und weist zwei gegenüberliegeöde planare Oberflächen· auf. Ein an der einen der Flächen befestigtes leitendes Teil bildet mit dieser einen gleichrichtenden Kontakt der Oberflächensperrschicht und eine an der anderen Fläche der Schicht angebrachte Elektrode bildet mit dieser einen nicht-gleichrichtenden Kontakt. Die resultierende Äktivatorkonzentration der Schicht ändert sich mit der Entfernung von der einen Fläche in der Weise, dass der ohmsche Widerstand der Schicht zwischen den Flächen kleiner ist als derjenige irgendeiner Schicht mit gleichförmiger resultierender Aktivatorkonsientration, die dem gleichen Lawinendurchbruch wie die erfindungsgemässe Schicht zu widerstehen vermag.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Schottky-Sperrschichtdiode.

Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht der Diode gemftss Figur 1. Fig. 3a ist eine graphische Darstellung der resultierenden Aktivatorkonzentration als Funktion des Abstandes- von der'

schient

Sperrschicht einer Schottky-Speri^aiode, die eine epitaxiale Schicht aus gleichförmiger resultierender Aktivator-

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konzentration aufweist»

Fig. 3b ist eine graphische Darstellung der elektrischen FeIdintensität von der Sperrschicht zu dem nicht-gleiehrichtenden Kontakt in der epitaxialen Schicht der Diode gemäss Figur 3a und zeigt deren änderung in Abhängigkeit vom Abstand, wenn die maximale Sperrspannung an die Diode angelegt ist.

Fig. 4a ist eine Darstellung des einstufigen Profils der resultierenden Aktivatorkonzentration der Halbleiterschicht einer Schottky-Sperrschichtdiode als eine_Funktion des Abstandes von deren Sperrschicht.

Fig. 4b ist eine graphische Darstellung der Intensität des elektrischen Feldes in der Halbleiterschicht der Schottky- ■ Sperrschicht diode ge.mäss Figur 4a, wenn die Halbleiterschicht von Majoritätsträgern verarmt ist, d.h. bei einem Betrieb unter maximaler Sperrspannung.

Fig. 5a ist eine Kurvendarstellung des Nettoaktivätors in der Konzentration der XIalbleiterschicht einer anderen Schottky-Sperrsehielit diode, in der sich die Aktivator--Nettokonzentration parabolisch mit dem Abstand von dem Sperrschichtkontakt ändert, .

Fig. 5b ist eine Kurvendarstellung der Intensität des elektrischen Feldes bei einem Betrieb der Diode gemäss Figur 5a bei maximaler Spannung.

Fig. 6 zeigt eine ICurvenschar für eine einstufige oder zwei Unterschichten aufweisende Aktivator-Nettoverteilung, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, für eine Diode, die einer spezifischen maximalen Sperrspannung.zu widerstehen vermag, wobei der Reihenwiderstand als eine Funktion des Verhältnisses der Akt ivat.or-Nett ©konzentration in der Unterschicht neben der Sperrschicht zur Unterschicht weisen der anderen Fläche'aufgetragen ist, die mit der nicht-gleichrichtenden Elektrode im Kontakt ist. Jede Kurve gilt für einen anderen spezifischen Wert der Dicke der Unterschicht neben der Oberflächensperrschicht zur Dicke der gesamten epitaxialen Schichte

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In den Figuren 1 und 2 ist eine Diode 10 ge mäss" einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, die ein Plättchen 11 oder ein PreßsÜick umfasst, das eine Substratschicht 12 aus Silizium mit einem kleinen spezifischen Widerstand und eine Schicht 13 aus Silizium mit einem wesentlich höheren spezifischen Widerstand aufweist, die epitaxial aufgewachsen ist. Die epitaxiale Schicht

13 weist zwei gegenüberliegende Hauptflächen 14 und 15 auf: Die Schicht 13 wird von einer Unterschicht 13a, die die Fläche 14. mit im wesentlichen gleichförmiger Aktivator-Nettokonzentration umfasst, und einer Unterschicht 13b gebildet, die die Fläche von im wesentlichen gleichförmiger und wesentlich grösserer Aktivator-Nettokonzentration als die Unterschicht 13a aufweist. Verfahren und Techniken zum epitaxialen Wachsen epitaxialer Schichten aus Halbleitermaterialien wie Silizium auf geeigneten Halbleitermaterialien für gewünschte Konzentrationen von Aktivatoren oder Fehlstellen sind allgemein bekannt und brauchen an dieser Stelle nicht näher beschrieben zu werden. Auf der Fläche

14 ist ein Oberflächensperrschicht-Kontaktstück 22 durch Abscheidung eines leitfähigen Materials gebildet, wie beispielsweise Aluminium, Wolfram, Platin, Silizid u.a. Die Art und Weise der Aufbringung ist ebenfalls bekannt. Das Substrat 12 bildet an der Fläche 15 einen nicht—gleichrichtenden Kontakt mit der Epi— taxia!schicht 13. Ein dänner Metallfilm 16 wie beispielsweise Molybdän, der auf dem Substrat niedergeschlagen ist, sorgt für einen iiicht-gleichrichtenden Kontaktanschluss mit dem Substrat und somit mit der Epitaxialschicht 13. Die Epitaxialschicht 13 ist abgeätzt gezeigt, um einen Oberflächenbereich 17 mit relativ grossem Radius zu bilden. Dieser soll sicherstellen, dass - beim Betrieb der Diode unter Sperrspannungsbedingungen ein elektrischer Durchbruch nicht entlang den Umfangsteilen der Diode auftritt. Eine relativ dicke Schicht 18 aus Siliziumdioxyd überdeckt den abgeätzten Abschnitt und schlitzt nicht_Hnur die Oberfläche der Schicht 13 sondern dient auch entlang dem Metallfilmteil 21 aus einem Metall wie Molybdän, das sich fiber die Oxydschicht 18 erstreckt, zur Verteilung der Kraftlinien des elektrischen Feldes und ferner zur Verhinderung, dass grosse Intensitäten des elektrischen Feldes in den Umfangsabschnitten der Dio-

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de auftreten. Die Metallschichten 16 und 21 bilden Anschlüsse zur Verbindung der.Diode mit-einem geeigneten Kopfstück oder einer nicht gezeigten Befestigungsanordnung für eine Benutzung.

Weiterhin ist in Figur 2 in einer gestrichelten Linie eine Grenze 23 der Verarmungszone in der Epitaxialschicht 13 gezeigt, wenn die Diode in Sperrichtung vorgespannt ist, um so die Majoritätsträger teilweise aus einem Abschnitt des Plattchens zu verdrängen, das zwischen den Flächen 14 und 15 eingeschlossen ist. Die Kontur der Grenze stellt die Verteilung des elektrischen Feldes in der Schicht dar und macht deutlich, dass die grossen Intensitäten des elektrischen Feldes um die Umfangsabschnitte der Vorrichtung herum nicht auftreten, die einen vorzeitigen Durchbrueh bei hohen Sperrspannungen hervorrufen würden. Die gestrichelte Linie 24 zeigt die Grenze der Verarmungszone der Diode, wenn eine ausreichend grosse Sperrspannung an die Diode angelegt ist, damit diese sich bis zu dem nicht-gleichrichtenden Kontakt oder der Elektrode 12 erstreckt. Dieser Zustand wird als "Durchgriff" (punch through) bezeichnet und ist vorzugsweise in dem Aufbau der Diode für Leistüngsapplikationen vorgesehen, um mit dem Sperrspannungsdurchbruch der Diode zusammenzufallen. Die Vorrichtung gemäss Figur 1"kann aus einem grösseren Plättchen gebildet sein, das ein Substrat und eine Epitaxialschicht entsprechend der Substrätschicht 12 bzw. der Epitaxialschicht 13 aufweist^ und nach der Endbearbeitung wird das grosse fertige Plättchen auf geeignete Weise zerschnitten, um die einzelnen Diodenelemente für eine Anordnung in einem Kopfstück zu bilden.

Für Leistungsgleichrichterapplikationen sind die Kennwerte einer Oberflächensperrschichtdiode, die spezifiziert werden würden, die Durchbruchsspannung in Sperrichtung, der Sperrstrom und der Spannungsabfall in Durchlassrichtung, für maximalen Nennstrom. Einerseits ist es wünschenswert, eine Epitaxialschicht aus einem Material mit kleinem spezifischen Widerstand zu schaffen, um auf diese Weise den Spannungsabfall in Durchlassrichtung des Gleichrichters zu verkleinern,, aber andererseits, wenn ein Material

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rait kleinem spezifischen Widerstand verwendet wird, würden starke elektrische Felder, die in der Nähe des darunter liegenden Oberflächensperrschichtkontaktes unter.Sperrspannungsbedingungen erzeugt werden, einen Durchbruch des Materials bei einer kleineren Spannung he'rbeif uhren, als wenn ein Material mit höherem spezifischen Widerstand verwendet werden würde. Demzufolge werden der spezifische Widerstand des Materials und die Dicke so gewählt, dass die erforderlichen Vorwärts- und Rückwärts-Betriebsparameter realisiert werden.

Es wird nun auf Figur 3a eingegangen, die die·Störstellen- oder Aktivator-Nettokonzentration in einer Schottky—Sperrschichtdiode zeigt, in der die aktive Schicht, d.h. die in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 bezeichnete Epitaxialschicht, eine gleichförmige Aktivator-Nettokonzentration aufweist. Um eine derartige Diode zu bilden, die einer vorbestimmten hohen Sperrspannung widersteht und einen kleinen Stromabfall in Durchlassrichtung für bestimmte Halbleiter- und Kontaktmaterialien liefert, wie beispielsweise Silizium und Aluminium, würde ein Techniker in der folgenden Weise vorgehen: Zunächst wird die Aktivator-Nettokpnzentration, die für die gewünschten ira voraus eingestellten . Spannungsdurchbruchseigenschaften sorgt, aus üblichen Zusammen-Stellungen der Sperrdurchbruchsspannung als eine Funktion der Aktivator-Nettokonzentration bestimmt, wie es beispielsweise auf Seite 121 in "Physics of Semiconductor Devices" von S.M. Sze gezeigt ist, das von John Wiley & Sons, Inc. veröffentlicht ist. Der spzifische Widerstand, der der resultierenden Aktivatorkonzentration entspricht, ist dann der minimale spezifische Widerstand, der für die Epitaxialschicht verwendbar ist. Als nächstes wird die Verarmungsbreite in einer Schicht dieses spezifischen Widerstandes für einen Stufenübergang bestimmt durch Formeln oder ebenfalls durch übliche Zusammenstellungen, wie sie beispielsweise auf Seite 89 der oben angegebenen Textstelle gezeigt sind. Da es erwünscht ist, dass die Verarmungszone der Epitaxialschicht den nicht-gleichrichtenden Kontakt an demjenigen Spannungswert berührt, bei dem die Epitaxialschicht durch-

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schlägt, ist die Epitaxialschicht auf diese Dicke aufgewachsen. Wenn die Epitaxialschicht dicker gemacht werden würde, würde der Reihenwiderstand der Diode unnötigerweise vergrössert. Wenn die Epitaxialschicht dünner wäre", würde ein "Durchgriff" (punched through) bei "einer Spannung auftreten, die kleiner als die maximale Spannung ist, der das Halbleitermaterial widerstehen könnte, und demzufolge würde das maximale Durchbruchsvermögen des Materials nicht erreicht werden.. Wenn die Information bezüglich des spezifischen Widerstandes und der Dicke der .Epitaxialschicht vorliegt, kann der Reihenwiderstand der Diode auf einfache Weise errechnet oder aus den Standard-Zusammenstellungen bestimmt werden, die auf Seite 43 der oben angegebenen Textstelle gezeigt sind. Der Reihenwiderstand einer derartigen Vorrichtung kann dadurch verkleinert werden, dass die Querschnittsfläche vergrössert wird. Jedoch hat die Vergrösserung der Querschnittsfläche die Verwendung von mehr Halbleitermaterial und weiterhin eine Vergrösserung des Reststromes der Diode in Sperrichtung zur Folge.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird der Reihenwiderstand^ der Diode nicht durch- Vergrösserung der Querschnittsfläche der Ilalbleiterschicht sondern dadurch verkleinert, dass ein bestimmtes Profil oder eine \bstufung der Aktivator-Nettokonzentration bzw.»resultierenden Aktivatorkonzentration zwischen der Sperrschicht und einem nlcht-gleichrichtenden Kontakt geschaffen wird, d.h. die Aktivator—Nettokonzentration der Schicht wird auf einen minimalen Wert an der Oberflächensperrschicht eingestellt und mit wachsendem Abstand auf praktisch einen maximalen Wert an dem nicht-gleichrichtenden Kontakt vergrössert. Bei dieser Verteilung der Aktivatoren ist, wenn die Epitaxialschicht von Majoritätsträgern verarmt ist, als Reaktion auf eine vorbestimmte Sperrspannung, die zwischen die Elektroden und die Diode angelegt ist, das elektrische Feld an der Oberflächensperrschicht kleiner als oder gleich einem Wert, der in ihr einen Lawinendurchbruch erzeugen würde. Die Verteilung ist auch so eingestellt, dass der spezifische Widerstand der Schicht kleiner ist als derjenige jeder anderen Schicht mit gleichförmiger Aktivator-Nettokonzentration, die der gleichen Lawinendurchbruchsspan-

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nung zu widerstehen vermag. Ein Beispiel einer derartigen Verteilungsform ist eine einstufige Verteilung, in der die Epitaxialschicht in zwei Unterschichten aufgeteilt ist, von der die eine der Oberflächenschicht benachbart und die andere dem nichtgleichrichtenden Kontakt benachbart ist. Die Aktivator-Nettokonzentration in der Unterschicht neben der Sperrschicht ist gleichförmig und ist auf einen minimalen Wert eingestellt. Die Aktivator-Nettokonzentration in der Unterschicht neben dem nichtgleichrichtenden Kontakt ist ebenfalls gleichförmig und ist auf einen wesentlich höheren Wert eingestellt. Das Verhältnis der Dicke der einen der Unterschichten zur Dicke der gesamten Schicht kann .verändert werden und erfüllt trotzdem die vorgenannten Anforderungen.

Die Vorrichtung gemäss Figur 2 enthält ein einstufiges Profil der Fehlstellenverteilung, die für diese Verteilungsform für eine Vorrichtung optimal ist, die einer Sperrspannung von 200 V zu widerstehen vermag. Diese optimale Verteilung ist eine solche, bei der die Unterschicht 13a 0,8 der Breite der Schicht 13 beträgt und die \ktivator-Nettokonzentration N in der Unterschicht 13a ein Drittel der 'Vktivator-Nettokonzentration N-, in der Unterschicht 13b ist. Figur 4a zeigt das Profil einer Aktivator-Nettokonzentration, in dem die zwei Unterschichten eine gleiche Breite aufweisen und in dem das Verhältnis der Aktivator-Nettokonzentrationen N /N- etwa 0,6 beträgt. Für Strukturen mit einer einstufigen Verteilung ist der Reihenwiderstand wesentlich kleiner als für die Struktur, in der die Aktivator-Nettokonzentra- tion über der gesamten Schicht gleichförmig ist, wie es in Verbindung mit Figur 6 noch näher beschrieben wird.

Es wird nun auf die Figuren 3a, 4a und 5a eingegangen, die auf entsprechende Weise Kurven 31, 32 und 33 der Verunreinigungsoder Aktivator-Nettokonzentration N (x) über der Strecke χ durch die Epitaxialschicht einer Schottky-Sperrschichtdiode zeigen, die von der Sperrschicht zur gegenüberliegenden Fläche der Epitaxialschicht gemessen ist, an der der nicht-gleichrichtende Kontakt hergestellt ist. Die Kurven zeigen verschiedene Aktiva-

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tor-Nettoverteilungen. Die Ordinaten und Abszissen der Kurvendarstellungen sind im gleichen Maßstab gezeigt. Figur 3a zeigt die Verunreinigungsverteilung in der Epitaxialscliicht einer Schottky-Sperrschichtdiöde, in der die Verunreinigungskonzentration gleichförmig ist. Figur 4a zeigt die Verunreinigungskonzentration in der Epitaxialschicht einer Schottky-Sperrschichtdiode, bei der sich die Verunreinigungskonzentration in einer Stufe von einem minimalen Wert in der Unterschicht neben der Sperrschicht auf ein Maximum in der Unterschicht in der dem nichtgleichrichtenden Kontakt benachbarten Oberfläche ändert. Die Breite jeder der Unterschichten ist als identisch gezeigt. Figur 5a zeigt die Verunreinigungsverteilung in der Epitaxialschicht einer Schottky-Sperrschichtdiöde, bei der die Verunreinigungskonzentration parabolisch von einem minimalen Wert an der Oberflächensperrschicht auf einen maximalen Wert an dem nicht-gleichrichtenden Kontakt anwächst. Die Strecken W₁, W„ und W„ stellen die Breiten der Verarmungszonen in den Epitaxialschichten in den drei Fällen beim Anlegen der gleichen Sperrspannung in jedem der drei Fälle und mit einer Amplitude dar, die einen Dürchbruch an der Grenzfläche der Epitaxialschicht bewirkt. Wenn die nichtgleichrichtenden Kontakte in diesen Abständen angeordnet sind, tritt selbstverständlich ein "Durchgriff" idealerweise gleichzeitig bei der Durchbruchsspannung auf. Die Verarmungsbreiten öder -dicken für die drei Fälle sind unterschiedlich. Für die drei Fälle sind sukzessiv kleinere Breiten verwendet, wie es im folgenden noch erläutert wird.

Es wird nun auf die Figuren 3b, 4b und 5b verwiesen, die auf entsprechende Weise Kurven 36, 37 und 38 der Intensität des elektrischen Feldes in den Epitaxialschichten der Schottky-Sperrschichtvorrichtungen gemäss den Figuren 3a, 4a bzw. 5a zeigen. Die Intensität des elektrischen Feldes ist in allen Kurvendarstellungen auf der Ordinate im gleichen Maßstab aufgetragen, und.der Abstand von der Sperrschicht-Grenzfläche ist auf der Abszisse im gleichen Maßstab aufgetragen, der auch in den Figuren 3a, 4a und 5a benutzt ist. Diese Kurvendarstelluhgen zeigen die Art und V/eise, in der sich die Intensität des elektrischen

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Feldes in den Epitaxialschichten ändert, wenn die gleiche maximale Spannung in allen drei Fällen angelegt wird. "Ferner wird gezeigt, wie die Intensität des elektrischen Feldes von praktisch Null am nicht-gleiehrichtenden Kontakt auf einen maximalen Wert an der Oberflächen-Sperrschicht ansteigt. Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl die Vorrichtungen der gleichen Sperrspannung widerstehen, die an der Sperrgrenzfläche existierende Intensität des elektrischen Feldes in jedem der drei Fälle unterschiedlich sein kann. Dieser Unterschied ist durch unterschiedliche Werte der maximalen Intensität des elektrischen Feldes angegeben.

Die Kurvenbilder gemäss den Figuren 3b, 4b und 5b sind von den VerunreinigungsVerteilungen gemäss den Figuren 3a, 4a und 5a durch Integration der resultierenden Aktivator-Störstellenkonzentration über einem Abstand abgeleitet, der an dem nicht-leitenden Kontakt beginnt und an dem Oberflächen-Sperrschichtkontakt endet. Selbstverständlich würde das Integral der elektrischen Feldintensität über der Strecke von dem nicht-gleichrichtenden Kontakt zur Oberflächen-Grenzschicht die angelegte Rückwärtsspannung darstellen. Demzufolge sind die Flächen unter den Kurven 36, 37 und 38 gleich, da die Epitaxialschichten so ausgelegt sind, dass sie der gleichen Rtickwärtsspannung standhalten. In Figur 3b nimmt die Intensität des elektrischen Feldes von dem Wert Null an dem nicht-gleichrichtenden Kontakt mit einer konstanten Geschwindigkeit bis zur maximalen Feldintensität E ^ an der Oberflächensperrschicht zu. In Figur 4b ändert sich die elektrische Feldintensität von Null an dem nicht-gleichrichtenden Kontakt mit einer Geschwindigkeit mit der Entfernung, die einer gleichförmigen 'Iktivator-Nettokonzentration in der Unterschicht neben dem nicht-gleichrichtenden Kontakt entspricht, und mit einer kleineren Geschwindigkeit, die einer kleineren gleichförmigen Aktivator-Nettokonzentration in der Unterschicht neben der Sperrschicht entspricht, und erreicht einen maximalen Wert E „, der kleiner als E - ist. Obwohl also die kleinere Aktivator-Nettokonzentration in einem Halbleiter

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zu einem kleineren Durchbruchsfeld führt, wird die kleinere FoIdintensität durch die gleiche angelegte Rückwärtsspanming erzeugt wie in Figur 3b. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die Vorarmungsstrecke Yf₀ kleiner ist als die Verarmungsstrecke τ.' . Figur 5b zeigt die änderung der Intensität des elektrischen Feldes für eine Oberflächen-Sperrschichtdiode mit einer Epitaxialschicht, in der sich die Störstellenverteilung parabolisch ändert von einem minimalen Wert an der Oberflächen-Sperrschicht auf einen maximalen Wert an dem nicht-gleichrichtenden Kontakt. Bei diesem Profil ist die Dicke der erforderlichen Schicht W„ kleiner als die Dicke in jedem der zwei anderen Fälle gemäss den Figuren 3b und 4b. Die Intensität des elektrischen Feldes ändert sich parabolisch von TTuIl am Punkt W₃ auf einen Wert maximaler Feldintensität E _o, die kleiner als die elektrische Feldintensität in jedem der zwei anderen Fälle gemäss den Figuren 3b und 4b ist. Die Aktivator-Nettokonzentration N(x) als Funktion des Abstandes ist durch die folgende Gleichung definiert:

- χ) ^1/2

worin W eine feste willkürliche Koordinate ist, die kleiner als die Dicke der Epitaxialschicht ist und C eine Konstante ist, die von-N , der Störstellenkonzentration an der Sperrschicht und auch von der festen Koordinate W abhängt,

In jedem dieser Fälle ist der Gleichrichter so ausgelegt,dass er der gleichen Durchbruchsspannung in Sperrichtung widersteht, die durch eine konstante Fläche unter jeder der Kurven 36, 37 und 38 gemäss den Figuren 3b, 4b und 5b dargestellt ist. Für die Störstellenkonzentratxon an der Oberflächensperrschicht für jeden dieser Fälle ergibt sich die Intensität des elektrischen Feldes, die auf entsprechende Weise mit E -, E « ^un<* E ο bezeichnet ist, als ein Wert, der der Durchbruchsspannung entspricht, der das Halbleitermaterial mit den Aktivator-Nettokonzentrationen, nämlich den angegebenen Konzentrationen N₀-, _t N „ und N_o, zu widerstehen vermag. Wie bereits ausgeführt wurde,

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sind die Verarmungsstrecken W₁, W~ und W„ sukzessiv kleiner. Dies gibt an, dass die Länge des Halbleitermaterial zwischen der Oberflächensperrschicht und dem nicht-gleichrichtenden Kontakt in diesen Fällen sukzessiv kleiner ist. Es sei daran erinnert, dass der spezifische Widerstand des Halbleitermaterials eine inverse Funktion der Aktivator-Nettokonzentration ist. Somit wird deutlich, dass der Effekt der abgestuften Störstellen-Konzentrationen darin besteht, die Breite bzw. Ausdehnung der Epitaxialschicht zu verkleinern, während der spezifische Widerstand neben der Oberflächensperrschicht vergrössert und der spezifische Widerstand in der Nähe des gleichrichtenden Kontaktes wesentlich verkleinert wird. Das Ergebnis dieser zwei Wirkungen besteht bei richtiger Anordnung darin, dass der Reihenwiderstand der Epitaxialschicht in der Vorrichtung verkleinert wird. Eine derartige Proportionierung ermöglicht, dass eine maximale Rückwärtsspannung mit minimalem Reihenwiderstand für ein bestimmtes Material erhalten wird.

Während Figur 5a eine parabolische Verteilung der Störstellen bzw. Verunreinigungen zeigt, ist eine mehr verallgemeinerte Beziehung, auch wenn sie nicht optimal ist, die folgende Beziehung

worin O^- kleiner als 1 und W eine willkürliche Konstante ist, die grosser als die Dicke der Epitaxialschicht ist. Die maximale erzielbare Verkleinerung des Reihenwiderstandes wird mit einem parabolischen Profil der Aktivator-Nettokonzentration erreicht, d.h. bei oC= 1/2. Mit einem parabolischen Profil ist eine Verkleinerung des Reihenwiderstandes von 25% zu erhalten.

In Figur 2 sind zwar zwei Unterschichten gleicher Breiten und unterschiedlicher Konzentrationen gezeigt» Es wird aber auf einfache Weise deutlich, dass auch eine Vielzahl von Unterschichten/ die gleicher oder ungleicher Breite sein können, aber so angeordnet sind, dass die resultierende Störstellenkonzentra-

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tion sukzessiv von einer Schicht zur anderen zunimmt, wobei von der Oberflächensperrschicht ausgegangen wird,"verwendet"werden kann, um das Ergebnis einer konstanten Durchbruchsspannung zu erzielen, während der Reihenwiderstand der Schicht vermindert wird. Wenn eine grosse Anzahl derartiger Unterschichten verwendet und so angeordnet wird, dass sich die Störstellenkonzentration in aufeinanderfolgenden Schichten gemäss den parabolischen Beziehungen ändert, die in Verbindung mit Figur 5a angegeben wurden, lässt sich eine maximale Verkleinerung des Reihenwiderstandes erreichen.

Im Falle der einstufigen Ausführung bzw. der zwei Unterschichten gemäss Figur 4a, bei dem die Breiten von jeder der zwei Unterschichten die gleichen sind, wird nicht die maximale Verkleinerung des Reihenwiderstandes erreicht. Sowohl die relativen Breiten der Unterschichten als auch ihre relativen Aktivator-Nettokonzentrationen können variiert werden," während trotzdem die Bedingungen erfüllt werden, dass die Vorrichtung der gleichen Durchbruchsspannung zu widerstehen vermag, um unterschiedliche Werte des Reihenwiderstandes zu erhalten. Wenn das Verhältnis der Breite X der Unterschicht neben der Oberflächensperrschicht in Relation zur Gesamtbreite W der Schicht variiert wird und die Störstellenkonzentration N der Unterschicht neben der Oberflächensperrschicht in Relation zur Aktiyator-Nettokonzentration KL in der anderen Unterschicht verändert wird, werden unterschiedliche Widerstandswerte erhalten.

Figur.6 zeigt eine Kurvenschar des Reihenwiderstandes der Halbleiterschicht in einer Qberflächen-Sperrschichtdiode unter Verwendung von Silizium, in der die Verteilung eine einzige Stufe als eine Funktion des Verhältnisses der Aktivator-Netfokonzentration N_Q der Unterschicht neben der Oberflächen-Sperrschicht zur Aktivator-Nettokonzentration N- in .der Unterschicht neben dem nicht-gleicfrrichtenden .Kontakt aufweist, wobei dies für Vorrichtungen vorgesehen ist, die vor dem Durchbruch einer Sperrspannung von 200 V zu widerstehen vermögen. Jede Kurve entspricht einer entsprechenden anderen Dicke X der Unterschicht neben der Oberflächensperrschicht in Relation zur Dicke ·

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der Epitaxialschicht· W. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Gesamtbreite W der Schicht ändert, wenn sich das Verhältnis der Nettostörstellenkonzentration N /N- und auch das Verhältnis X /W ändert. Die Kurven 41, 42, 43, 44 und 45 entsprechen den Verhältnissen X_Q/W von 1/3, 1/2, 2/3, 3/4 und 4/5. Der Reihenwiderstand einer Schicht mit gleichförmiger Aktivator-Nettokonzentration wird als Bezugsgrösse verwendet. Diese Schicht weist

15 ' 3 eine Aktivator-Nettokonzentration von 2 χ IO / cm und eine Länge von 11,4 χ 10~ cm auf. Unter diesen Bedingungen und unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens würde die Vorrichtung einer Spannung von 200 V widerstehen und für einen Reihen-

—3 2 '

widerstand von 2,95 · 10~' Ohm-cm sorgen. Dieser Punkt ist in der Kurve bei 36 angegeben. Wenn somit das Verhältnis N zu N-, und die Breite verwendet wird, die für jede der Kurven angegeben ist, kann der Reihenwiderstand auf einfache Weise für jeden der angegebenen Fälle ermittelt werden. Da X von 1/3 erhöht und entsprechend das Verhältnis von N zu N- verkleinert wird, wird ein minimaler Punkt für den Reihenwiderstand erreicht, wenn X = 4/5 W und die relative Konzentration 0,35 ist. Bei höheren Werten von X wurden sich die Kurven unterhalb des Ordinatenwer-

2 -3
tes von 2,95 Ohm-cm · 10 abflachen und der minimale Punkt würde ansteigen. Demzufolge ist der angegebene Wert die optimale Verkleinerung des Reihenwiderstandes gegenüber dem Wert, der bei Verwendung eines Halbleiters mit gleichförmiger Aktivator-

Nettokonzentration erhalten wird. Dieser Wert beträgt 2,48 -10

2
Ohm-cm , der eine Verkleinerung des Reihenwiderstandes von 15% darstellt.

Während ausgeführt wurde, dass der Reihenwiderstand eines Gleichrichters leicht verkleinert werden kann, indem eine abgestufte änderung der Störstellenkonzentration verwendet wird, könnte der Widerstand auch auf dem gleichen Wert" gehalten werden, indem die Querschnittsfläche verkleinert wird, wodurch der Sperr- bzw. Rückwärtsstrom vermindert wird.

Auch wenn die aktive abgestufte Schicht der Schottky-Dioden als Epitaxialschichten beschrieben wurde, können derartige Schich-

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ten auch durch andere Verfahren als durch epitaxiales Aufwachsen gebildet werden, wie beispielsweise durch· Diffusion und Ionen-Implantation. .

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Claims

Ansprüche

(ι 1.J Schottky-Sperrschichtdiode mit einer Schicht aus Halbleitermaterial von einem Leitfähigkeitstyp, die ein Paar gegenüberliegende Stirnflächen aufweist, ferner mit einem leitenden Teil, das an einer der Stirnflächen befestigt ist, um mit dieser einen gleichrichtenden Kontakt der Schottky-Sperrschicht zu bilden, und einer Elektrode, die an der anderen Stirnfläche der Schicht befestigt ist zur Bildung eines nicht-gleichrichtenden Kontaktes mit dieser, dadurch gekennzeichnet , dass sich die \ktivator-Nettokonzentration der Schicht (13) mit der Entfernung von der einen Stirnfläche (14) ändert, derart, dass der Ohm'sche Widerstand der Schicht (13) zwischen den Stirnflächen (14, 15) kleiner ist als derjenige irgendeiner Schicht mit gleichförmiger Aktivator-Nettokonzentration, die der gleichen daran angelegten Lawinendurehbruchsspaiinung zu widerstehen vermag wie die Schicht (13).
2. Diode nach Anspruch !,dadurch gekennzei chn e t , dass die Aktivator-Nettokonzentration der Schicht (13) im wesentlichen von der einen Stirnfläche (14) zur anderen Stirnfläche (15) der Schicht zunimmt.
3. Diode nach Anspruch 1, dad urch gekennzeichnet , dass die Schicht (13) in eine Vielzahl von Unterschichten (13a, 13b) unterteilt ist, die jeweils eine gleichförmige Aktivator-Nettokonzentration aufweisen, und dass die Aktivator-Mettokonzentration in den Unterschichten (13a, 13b) von der einen Stirnfläche (14) zur anderen Stirnfläche (15) der Schicht im allgemeinen zunimmt.
4. Diode nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet j, dass die Schicht in eine Vielzahl von Unterschichten (13a, 13b) mit jeweils gleichförmiger Aktivator-Nettokonzentration unterteilt ist und die Aktiva-

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tor-Nettokonzentration einer Unterschicht (13b) grosser ist. als die \ktivator-Nettokonzentration einer vorangehenden Unterschicht (13a), wobei von der Unterschicht neben dem leitenden Teil (22) ausgegangen" wird.
5. Diode nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , dass zwei Unterschichten (13a, 13b) vorgesehen sind, wobei die Dicke der Unterschicht neben dem leitenden Teil (22) grosser ist als die Dicke der Unterschicht neben der Elektrode (16), und die Äktivator-Nettokonzentration der Unterschicht (13b) neben der Elektrode (16) wenigstens doppelt so gross ist wie die Aktivator-Nettοkonzentration der Unterschicht (13a) neben dem leitenden Teil (22).
6. Diode nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e η η zeichne t , dass die Dicke der Unterschicht (13a) neben dem leitenden Teil (22) viermal so gross ist wie die Dicke der anderen Unterschicht (i3b) und die Aktivator-Nettokonzentration der anderen Unterschicht (13b) dreimal so gross ist wie die Aktivator-Nettokonzentration der Unterschicht (13a) neben dem leitenden Teil (22).
7. Diode nach Anspruch 1, da durch gekennzeichne "t , dass sich die Aktivator-Nettokonzentration in der Schicht (13) gemäss der Beziehung ändert

N(x)= ^c

worin C eine Konstante, W_ eine willkürliche Strecke, die grosser als die Breite der Schicht (13) ist, χ der Abstand in der Schicht (13) von der Sperrschicht und (X, ein Bruch kleiner als 1 ist« ·
8. Diode nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass O^. -"1/2 ist.

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9. Diode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial Silizium ist.

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