DE10196362B4

DE10196362B4 - Leistungsdiode mit weichem Ausschaltverhalten (Soft Recovery) und darauf bezogenes Verfahren

Info

Publication number: DE10196362B4
Application number: DE10196362T
Authority: DE
Inventors: Praveen Muraleedharan Shenoy
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2021-06-23
Also published as: JP2004502305A; CN1441968A; TW507384B; US6737731B1; DE10196362T1; CN1211865C; WO2002001643A3; WO2002001643A2; JP4608181B2; AU2001270086A1

Abstract

Eine Halbleiterdiode, umfassend:
eine erste Halbleiterschicht, die eine Dotiersubstanz mit einer ersten Leitfähigkeitsart aufweist;
eine zweite Halbleiterschicht, angrenzend an besagte erste Halbleiterschicht, die eine Dotiersubstanz mit der ersten Leitfähigkeitsart aufweist und eine Dotierungskonzentration hat, die geringer ist als die Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht;
eine dritte Halbleiterschicht, angrenzend an besagte zweite Halbleiterschicht, die eine Dotiersubstanz mit der ersten Leitfähigkeitsart aufweist und eine Dotierungskonzentration hat, die größer ist als die Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht;
eine vierte Halbleiterschicht, angrenzend an besagte dritte Halbleiteschicht, welche eine Dotiersubstanz mit einer zweiten Leitfähigkeitsart aufweist; und
entsprechende Kontakte, die mit der ersten und vierten Halbleiterschicht verbunden sind;
eine dazwischenliegende Halbleiterschicht zwischen der besagten ersten Halbleiterschicht und besagter zweiter Halbleiterschicht, welche eine Dotiersubstanz der ersten Leitfähigkeitsart und eine Dotierungskonzentration zwischen der Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht und der Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Bauteile, und insbesondere auf Leistungsdioden.
Hintergrund der Erfindung
Dioden werden in einer Vielzahl von Schaltkreisen verwendet, um in Abhängigkeit der Spannung, die an der Diode angelegt wird, entweder den Stromfluss innerhalb des Schaltkreises zu begrenzen oder zu erlauben. Das heißt, dass die Spannung die Diode entweder veranlasst, in Durchlassrichtung vorgespannt zu werden, an welchem Punkt der Strom durch die Diode fließt, oder in Sperrrichtung vorgespannt zu werden, an welchem Punkt der Strom daran gehindert wird, durch die Diode zu fließen.
Dioden, wie zum Beispiel die P-i-N (Positiv-intrinsisch-Negativ) -Dioden sind weit verbreitet in Hochspannungsanwendungen, wie zum Beispiel Leistungsfaktor-Kompensationsschaltkreise. Wenn solch eine Diode plötzlich von einem in Durchlassrichtung vorgespanntem Zustand in einen in Sperrrichtung vorgespannten Zustand übergeht, was durch eine große Spannungsänderung hervorgerufen wird, wird die Diode einer Sperrverzögerungszeit unterzogen. Während des in Durchlassrichtung vorgespannten Zustands enthält die i-Region der Diode eine hohe Konzentration von Minoritätsladungsträgern. Diese Konzentration muss aus der i-Region entfernt werden, bevor der Stromfluss auf im wesentlichen Null begrenzt werden kann. Demgemäss vergrößert sich die Höhe des Sperrverzögerungsstroms (Irr), nach dem Umschalten in einen in Sperrrichtung vorgespannten Zustand, solange, bis die Überschussladungsträgerkonzentration am P-N-Übergang zu einem Zeitpunkt t (das heißt, die Zeit, bei der der Strom einen negativen Höchstwert erreicht) unter die Hintergrund-Konzentration gefallen ist, an welchem Punkt dann die Sperrverzögerung beginnen kann.
Wenn die Konzentration der Minoritätsladungsträger zu groß wird, ist es möglich, dass der Irr sich bis zu einem Punkt vergrößert, an dem der Schaltkreis beschädigt wird. Demgemäss ist es wünschenswert, einen niederen Irr zu haben, um diesen Nachteil zu vermeiden. Dennoch ergibt eine Reduzierung des Irr eine Erhöhung in der Durchlass-Spannung (Vf) der Diode, sowie eine Abnahme der Weichheit der Erholungs-(Recovery)-Wellenform, wobei beides nicht erstrebenswert ist. Die Weichheit der Recovery-Wellenform entspricht der Steigung des Irr (das heißt, dlrr/dt), während er nach der Zeit t in Richtung Null tendiert. Je steiler die Steigung ist desto weniger „weich" ist die Recovery-Wellenform und desto größer ist die Chance, dass eine Schwingungsneigung entsteht. Das Schwingen wird dadurch hervorgerufen, dass der Strom während der Sperrverzögerungszeitdauer überschwingt oder um den Nullpunkt vor und zurück schwingt, da der Strom aufgrund von Störeffekten der Schaltung zu schnell ansteigt und wieder abnimmt.
Daher besteht ein Bedarf an einer Leistungsdiode, welche einen relativ geringen Irr-Wert aufweist, während sie eine niedere Vf und eine Soft-Recovery-Kennlinie aufweist. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Versuche bekannt, derartige Dioden herzustellen. Ein Beispiel dafür ist das US-Patent Nr. 4,594,602 von limura et al. mit dem Titel „Hochgeschwindigkeitsdiode". Die Diode hat eine PNN <+> Struktur, welche dafür vorgesehen ist, eine Hochgeschwindigkeitsschalt-Charakteristik in Verbindung mit einer weichen Sperrverzögerungszeit und einer geringen Durchlass-Spannung zu bieten. Jedoch kann die Struktur dieser Diode bei bestimmten Anwendungen kein adäquates Gleichgewicht zwischen dem reduzierten Irr und der gesteigerten Weichheit bieten.

Mit der Druckschrift US 5,032,540 A wird ein Verfahren zur Anordnung einer in einem Silikonsubstrat eindiffundierten Goldmenge offenbart, welches phosphorhaltige Diffusionen innerhalb eines veränderlichen Konzentrationsbereiches von 10¹³ bis 10¹⁵ Atome/cm³ aufweist, wobei in dem Substrat vor der nachfolgenden Diffusion von Gold die phosphorartige Konzentration an derartigen Stellen gesteigert wird, worin die Diffusion des Goldes gesteigert werden soll.

Dieser Druckschrift ist ein Herabsetzen der Spannungsabfalleigenschaften nicht zu entnehmen.

Mit der Druckschrift DE 44 00 438 A1 wird eine Spannungsstoß absorbierende Diode offenbart, welche ein Halbleitersubstrat mit einem darin definierten pn-Übergang und dem Übergang benachbarten exothermischen Mittenbereich aufweist, wobei die Diode ein Absinken der Ausbeute aufgrund von Widerstandschwankungen des verwendeten Wafers verhindert.

Dieser Druckschrift ist ebenfalls ein Herabsetzen der Spannungsabfalleigenschaften nicht zu entnehmen.

Mit der Druckschrift US 5,017,950 A wird ein Diodenelement mit variabler Kapazität offenbart, welche eine Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeitsart mit einer epitaxialen Schicht einer ersten Leitfähigkeitsart aufweist, die auf einer Hauptoberfläche gebildet ist, wobei die epitaxiale Schicht einen höheren Widerstand als die Halbleiterschicht aufweist; eine erste Diffusionsschicht auf der ersten Leitfähigkeitsart, welche in die epitaxiale Schicht eindiffundiert ist, wobei die Diffusionsschicht einen nidrigeren Widerstand als die epitaxial Schicht aufweist. eine zweite Diffusionschicht einer zweiten Leitfähigkeitsart, welche von der ersten Diffusionschicht umgeben ist und einen niedrigeren Widerstand als die eptaxiale Schicht aufweist; und eine zweite Diffusionschicht einer zweiten Leitfähigkeitsart, welche von der ersten Diffusionsschicht umgeben ist, wobei die zweite Diffusionschicht einen geringere Diffusionstiefe als die erste Diffusionschicht aufweist.

Mit der Druckschrift FR 1 547 287 A wird eine Halbleiterdiode offenbart, wobei im Besonderen insgesamt drei Schichtlagen die Halbleiterschicht ausbilden, welche durch eine Kernschicht mit darüberliegenden Diffusionschichten gebildet sind. Dieser Erfindung ist ebenfalls ein Herabsetzen der Spannungsabfalleigenschaften nicht zu entnehmen.

Zusammenfassung der Erfindung

In Anbetracht des vorangegangenen technischen Hintergrundes ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterdiode zu schaffen, die relativ geringe Werte für Irr und Vf hat und weiterhin eine Soft-Recovery-Kennlinie aufweist.

Diese Aufgabe wird im Einklang mit der vorliegenden Erfindung durch eine Halbleiterdiode nach den Ansprüchen 1, 15 und 29 und ein Verfahren nach Anspruch 42 gelöst. Die Halbleiterdiode weist eine sehr viel höher dotierte Basisschicht zwischen der intrinsischen Schicht und der Basis auf. Die Diode weist eine erste Halbleiterschicht auf, die eine Dotierungs-Substanz mit einer ersten Leitfähigkeitsart aufweist, und eine zweite Halbleiterschicht, angrenzend an die erste Halbleiterschicht, welche eine Dotiersubstanz mit der ersten Leitfähigkeitsart aufweist und eine Dotierungskonzentration, die geringer ist als die Dotierungskonzentration der ersten Halbleiterschicht. Zusätzlich ist eine dritte Halbleiterschicht, angrenzend an die zweite Halbleiterschicht, vorgesehen sein, welche eine Dotiersubstanz der ersten Leitfähigkeitsart aufweist und eine Dotierungskonzentration die größer ist, als die Dotierungskonzentration der zweiten Halbleiterschicht. Diese dritte Schicht kann als diejenige Schicht betrachtet werden, welche die am höchsten dotierte Basisschicht oder Region ausbildet. Eine vierte Halbleiterschicht ist angrenzend an die dritte Halbleiterschicht vorgesehen, welche eine Dotiersubstanz einer zweiten Leitfähigkeitsart aufweist. Entsprechende Kontakte sind mit der ersten und der vierten Halbleiterschicht verbunden. Die Diode weist im Vergleich mit den Dioden aus dem Stand der Technik einen reduzierten Irr auf und hat dennoch eine niedere Vf und eine Soft-Recovery-Kennlinie.

Die Halbleiterdiode weist des weiteren eine dazwischen liegende Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht auf. Die dazwischenliegende Halbleiterschicht hat eine Dotierungskonzentration, die zwischen der Dotierungskonzentration der ersten und der zweiten Halbleiterschicht liegt. Zusätzlich kann die vierte Halbleiterschicht von der dritten Halbleiterschicht umgeben sein.

Beispielsweise können die Dotierungskonzentrationen und die Dicken der Halbleiterschichten wie folgt sein:
Für die erste Halbleiterschicht eine Dotierungskonzentration im Bereich von etwa 1 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁹ cm^–3 und eine Dicke im Bereich von etwa 100 bis 400 μm; für die dazwischenliegende Halbeiterschicht eine Dotierungskonzentration im Bereich von etwa 2,5 × 10¹⁴ bis 1,3 × 10¹⁵ cm^–3 und eine Dicke im Bereich von etwa 8 bis 35 μm; für die dritte Halbleiterschicht eine Dotierungskonzentration im Bereich von etwa 6 × 10¹³ bis 6 × 10¹⁴ cm^–3 und eine Dicke im Bereich von etwa 7 bis 70 μm; für die dritte Halbleiterschicht eine Dotierungskonzentration im Bereich von etwa 1 × 10¹⁴ bis 1 × 10¹⁶ cm^–3 und eine Dicke im Bereich von etwa 4 bis 6 μm; und für die vierte Halbleiterschicht eine Dotierungskonzentration im Bereich von weniger als etwa 1 × 10¹⁷ cm^–3 und eine Dicke im Bereich von etwa 2 bis 4 μm.

Zusätzlich ist die erste Leitfähigkeitsart vorzugsweise vom N-Typ und die zweite Leitfähigkeitsart vorzugsweise vom P-Typ. Ein anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Dotierung der vierten Halbleiter-Region mit relativ geringen Konzentrationen im Vergleich zu denen, die man bei den Bauteilen nach dem Stand der Technik findet. Demgemäss wird die Überschussladungsträgerkonzentration am P-N-Übergang zwischen der dritten und vierten Halbleiterschicht auf einem niedrigeren Niveau gehalten, was in einem reduzierten Irr zum Zeitpunkt t (nachfolgend „Irrm") resultiert. Eine Erhöhung der Dotierungskonzentration der dritten Halbleiterschicht reduziert im weiteren die Ladungsträger-Konzentration am P-N-Übergang, wodurch eine weitere Reduzierung des Irrm erreicht wird. Die Dotierungskonzentration der vierten Halbleiterschicht hat vorzugsweise eine Dotierungskonzentration, die größer ist als die Dotierungskonzentration der dritten Halbleiterschicht. Des weiteren kann die Dotierungskonzentration derart gewählt werden, dass während des Betriebes, entfernt von dem P-N-Übergang, eine Region mit einer Überschussladungsträgerkonzentration entsteht, welche höher ist als in den Bauteilen nach dem Stand der Technik, was dazu dient, Vf auf einem geringen Wert zu halten und eine Soft-Recovery-Wellenform zu erzeugen.

Ein Verfahren gemäss der Erfindung dient zur Herstellung einer Halbleiterdiode. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit einer Dotiersubstanz, welche eine erste Leitfähigkeitsart aufweist. Eine erste epitaxiale Schicht mit einer ersten Leitfähigkeitsart wird angrenzend an das Halbleitersubstrat aufgetragen und weist eine Dotierungskonzentration auf, die geringer ist als die Dotierungskonzentration der ersten Halbleiterschicht. Das Verfahren weist weiterhin das Dotieren einer ersten Region der ersten Leitfähigkeitsart in der ersten epitaxialen Schicht aufweisen auf eine Dotierungskonzentration, die geringer ist als die Dotierungskonzentration der ersten epitaxialen Schicht, und ein Dotieren einer zweiten Region einer zweiten Leitfähigkeitsart innerhalb der ersten Region. Zusätzlich werden entsprechende Kontakte am Halbleitersubstrat und der zweiten Region angebracht.

Eine zweite epitaxiale Schicht der ersten Leitfähigkeitsart wird zwischen dem Halbleitersubstrat und der ersten epitaxialen Schicht mit einer Dotuierkonzentration zwischen der Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats und der Dotierungskonzentration der ersten epitaxialen Schicht aufgewachsen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist ein schematischer Querschnitt einer Hableiter-Diode gemäss der vorliegenden Erfindung.

2 ist ein Graph, welcher ein Dotierungsprofil der Halbleiterdiode gemäss 1 darstellt.

3 ist ein Graph, welcher simulierte Testergebnisse der Recovery-Wellenformen einer Diode nach dem Stand der Technik und verschiedenen Ausgestaltungen von Dioden gemäss der vorliegenden Erfindung darstellt.

4 ist ein Graph, welcher aktuelle Testergebnisse von Recovery-Wellenformen einer Diode nach dem Stand der Technik und einer Diode gemäss der vorliegenden Erfindung darstellt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen
Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen eingehender beschrieben, in welchen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgestaltet sein und ist daher nicht als limitiert auf die hierin beschrieben Ausgestaltungen anzusehen. Vielmehr sind die Ausgestaltungen dazu vorgesehen, um die Offenbarung genau und vollständig zu beschreiben, und Fachleuten den Umfang der Erfindung vollständig nahe zu bringen. Gleiche Nummern beziehen sich durchweg auf gleiche Bauteile.
Mit Bezug auf 1 wird als erstes eine Diode 10 gemäss der Erfindung beschrieben. Die Diode 10 umfasst eine erste Halbleiterschicht oder Substrat 11, welches zur Veranschaulichung eine Dotiersubstanz des N-Typs aufweist. Eine dazwischen liegende Halbleiterschicht 13 (N-Typ) ist zwischen der ersten Halbleiterschicht 11 und einer zweiten Halbleiterschicht 14 ausgebildet, die ebenfalls vom N-Typ ist. Die Dotierungskonzentration der dazwischen liegenden Halbleiterschicht 13 ist geringer als die der ersten Halbleiterschicht 11, und die Dotierungskonzentration der zweiten Halbleiterschicht 14 ist geringer als die der dazwischen liegenden Halbleiterschicht. Die dazwischen liegende und die zweite Halbleiterschicht 13, 14 können zum Beispiel epitaxisch auf dem Substrat aufgewachsen sein, wie es Fachleuten jederzeit verständlich sein wird.
Eine dritte Halbleiterschicht 15 ist angrenzend an die zweite Halbleiterschicht 14 angeordnet und umfasst eine Dotiersubstanz des N-Typs mit einer Konzentration, die größer ist als die der zweiten Halbleiterschicht. Angrenzend an die dritte Halbleiterschicht ist eine vierte Halbleiterschicht 16 vorgesehen, welche eine Dotiersubstanz des P-Typs umfasst. Sowohl die dritte als auch die vierte Halbleiterschicht 15, 16 können zum Beispiel durch herkömmliche Diffusion oder Implantationstechniken dotiert sein, was Fachleuten jederzeit verständlich sein wird. Wie es in 1 gezeigt ist, kann die vierte Halbleiterschicht 16 von der dritten Halbleiterschicht 15 umgeben sein. Eine metallische Kontaktschicht (oder Kathode) 17 ist auf der ersten Halbleiterschicht 11 angebracht und eine weitere metallische Kontaktschicht (oder Anode) 18 ist auf der vierten Halbleiterschicht 16 angebracht. Ein flaches, leicht aktiviertes P+-Oberflächen-Implantat kann vorgesehen sein, um einen besseren Kontakt zwischen der vierten Halbleiterschicht 16 und der Anode 18 herzustellen. Die implantierte Schicht ist nur leicht aktiviert, um den Injektionswirkungsgrad am P-N-Übergang niedrig zu halten.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können die Dotierungskonzentrationen der oben beschriebenen Schichten derart gewählt sein, um die Ladungsträger-Konzentration rund um den P-N-Übergang zwischen der dritten und vierten Halbleiterschicht 15, 16 zu minimieren und dadurch den Irrm zu verringern. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden. Zum ersten kann die Dotierungskonzentration der dritten Halbleiterschicht 15 höher sein als die Dotierungskonzentration der zweiten Halbleiterschicht 14. Zum zweiten kann die Dotierungskonzentration der vierten Halbleiterschicht 16 im Vergleich zu Bauteilen nach dem Stand der Technik verringert werden, wodurch derselbe Effekt erzielt wird. Das heißt, dass durch eine Reduktion des Injektionswirkungsgrades des Injektors des P-Typs die Überschussladungsträgerkonzentration am P-N-Übergang verringert werden kann. Durch beide Maßnahmen kann eine noch größere Reduktion des Irrm-Niveaus erreicht werden, was weiter unten diskutiert werden wird.
Wie oben erwähnt wurde, führt eine Reduktion des Irrm normalerweise zu einer Erhöhung der Vf und einer Verminderung der Weichheit in der Recovery-Wellenform. Um derartige Folgen zu vermeiden, wird die Dotierungskonzentration derart gewählt, dass sich während des Betriebes, entfernt vom P-N-Übergang, eine Region von Überschussladungsträgern ausbildet, welche dazu dient, Vf auf geringen Werten zu halten und eine Soft-Recovery-Wellenform erzeugt. Das heißt, dass selbst wenn der maximale Recovery-Wert (das heißt, der Punkt, an welchem dlrr/dt gleich Null ist) reduziert wird, so dass eine geringere Ladungsträger-Konzentration am P-N-Übergang vorhanden ist, die gesamte Ladungsträger-Konzentration der Halbleiterdiode 10 erhalten bleibt, aufgrund der entfernt von dem P-N-Übergang gebildeten Region mit einer höheren Überschussladungsträgerkonzentration, was es Vf erlaubt, niedrig zu bleiben. Selbst wenn der maximale Recovery-Wert geringer ist, verringert sich auch die Zeit, die der Sperrverzögerungsstrom braucht, um diesen Punkt zu erreichen. Jedoch bleibt die Gesamtzeit, die für die Erholung benötigt wird, generell unverändert, da die Ladungsträger-Konzentration über die gesamte Halbleiterdiode 10 im wesentlichen dieselbe bleibt, als in Dioden nach dem Stand der Technik. Daher ist die Steigung der Erholungskurve nach dem maximalen Erholungswert (das heißt, nach der Zeit t) weniger steil, was in einer gesteigerten Weichheit resultiert.
Beispielhafte Werte für die Dicken (in μm) und die Dotierungskonzentrationen (in cm^–3) der oben beschriebenen Schichten für repräsentative Dioden für 300, 600 und 1200 Volt sind weiter unten in der Tabelle 1 bzw. der Tabelle 2 angeführt. Fachleuten leuchtet es ein, dass die oben genannten Vorteile in einer Vielzahl von Dioden mit einer Vielzahl von Arbeitsspannungen realisiert sein können, die von denen in dieser Tabelle gezeigten abweichen. Die Nummern der Schichten beziehen sich auf die Referenznummern, die den entsprechenden Schichten obenstehend zugeordnet wurden.
Tabelle 1 – Dicken
Tabelle 2 – Dotierungskonzentrationen
Ein beispielhaftes Dotierungsprofil der Halbleiterdiode 10 gemäss 1 ist in 2 dargestellt. Wiederum entsprechen die Referenznummern den oben beschriebenen Schichten. Ein erwähnungswerter Punkt, der im Profil illustriert ist, ist, dass die Dotierungskonzentration der vierten Halbleiterschicht 16 größer gewählt ist als die Dotierungskonzentration der dritten Halbleiterschicht 15. Zusätzlich ist die Tiefe der vierten Halbleiterschicht 16 geringer als die entsprechenden P-Schichten von P-N-Dioden nach dem Stand der Technik, welche typischerweise etwa 8 μm betragen. Weiterhin ist die Dotierungskonzentration der vierten Halbleiterschicht 16 ebenfalls geringer als die von Dioden nach dem Stand der Technik, wie es Fachleuten leicht verständlich sein wird. Dementsprechend wird die Gesamtladung der Halbleiterschicht 16 reduziert, so dass sich ein niedrigerer Injektions-Wirkungsgrad am P-N-Übergang ergibt als bei Dioden nach dem Stand der Technik.
Die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung wurde sowohl in Simulationen als auch in aktuellen Testes demonstriert. Wenden wir uns nun 3 zu, in der die simulierten Recovery-Wellenformen von vier verschiedenen 600-Volt-Dioden dargestellt sind. Die erste Wellenform 20 entspricht einer hyperschnellen Diode nach dem Stand der Technik, hergestellt von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung. Die zweite Wellenform 21 entspricht einer Diode, die gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und die eine dritte Halbleiterschicht 15 mit einer erhöhten Dotierungskonzentration aufweist (wie in Tabelle 2 weiter oben beschrieben) und eine in herkömmlicher Weise dotierte vierte Halbleiterschicht 16. Die dritte Wellenform 22 entspricht einer Diode gemäss der vorliegenden Erfindung mit einer vierten Halbleiterschicht 16 mit einer verringerten Dotierungskonzentration (wiederum in Tabelle 2 beschrieben) und einer in herkömmlicher Weise dotierten dritten Halbleiterschicht 15. Schließlich entspricht die Wellenform 23 einer Diode gemäss der vorliegenden Erfindung, die sowohl eine dritte Halbleiterschicht 15 mit einer erhöhten Dotierungskonzentration aufweist als auch eine vierte Halbleiterschicht 16 mit einer verringerten Dotierungskonzentration.
Jede der simulierten Dioden gemäss der vorliegenden Erfindung (das heißt, die Wellenformen 21, 22, 23) liefern niedrigere Irr-Werte und eine gesteigerte Weichheit. Im speziellen ist der Irr der Dioden, die den Wellenformen 21, 22 entsprechen, ungefähr 9 bzw. 14% niedriger als der Irr der Diode nach dem Stand der Technik entsprechend der Wellenform 20. Des weiteren liefert die Diode, die der Wellenform 23 entspricht, in etwa eine 27%-ige Verringerung in Irr als auch eine etwa 75%-ige Steigerung in der Weichheit im Vergleich zur Diode nach dem Stand der Technik. Diese Werte wurden erzielt, während Vf bei jeder der Dioden auf ungefähr 1,8 ± 0,05 Volt gehalten wurde.
Bezug nehmend nun auf 4, in der die aktuellen Testergebnisse eines Vergleichs zwischen der oben genannten hyperschnellen Diode nach dem Stand der Technik und einer Diode gemäss der Erfindung gezeigt sind, wobei beide eine dritte Halbleiterschicht 15 mit einer erhöhten Dotierungskonzentration und eine vierte Halbleiterschicht 16 mit einer verringerten Dotierungskonzentration aufweisen. Die Wellenform 24 entspricht der Diode nach dem Stand der Technik und die Wellenform 25 entspricht der Diode gemäss der vorliegenden Erfindung. Wiederum kann man erkennen, dass der Irr der Diode gemäss der vorliegenden Erfindung kleiner ist als der der Diode gemäss dem Stand der Technik (um ungefähr 26%). Erwähnenswert ist, dass eine Steigerung in der Weichheit von etwa 130% realisiert werden konnte, was im Wesentlichen in keiner Schwingungsneigung resultiert. Wiederum konnte der Wert von Vf der Diode gemäss der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen auf demselben Wert der Diode nach dem Stand der Technik gehalten werden, indem die Dotierungskonzentrationen ausreichend gewählt wurden, um eine Region von Überschussladungsträgern gemäss obiger Beschreibung zu erzeugen.
Wie es Fachleuten verständlich sein wird, können die dritte und vierte Halbleiterschicht 15 und 16 der Diode 10 als dotierte Regionen im oberen Teil der zweiten Halbleiterschicht 14 ausgebildet werden. Dies kann durch konventionelle Implantation oder andere Dotierungstechniken erreicht werden, wie es Fachleuten verständlich sein wird. Dementsprechend kann die Leistungsdiode 10 mit ihren vorteilhaften Merkmalen leicht durch Verwendung eines zusätzlichen selektiven Dotierungsschrittes hergestellt werden, um die dritte Halbleiterschicht auszubilden (erste dotierte Region), wie es Fachleuten leicht verständlich werden wird.
Ein Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstellung einer Halbleiterdiode 10 umfasst das Bereitstellen eines dotierten Halbleitersubstrats 11 und einem Aufwachsen von epitaxialen Schichten 13, 14 auf dem Halbleitersubstrat. Die dritte Schicht oder erste Region 15 wird durch Dotierung eines oberen Bereichs der epitaxialen Schicht 14 ausgebildet, und eine zweite Region 16 kann durch Dotierung eines oberen Teils der ersten Region ausgebildet werden. Die Kontakte 17, 18 werden ebenfalls vorzugsweise an dem Halbleitersubstrat 11 bzw. der zweiten Region 16 ausgebildet, was Fachleuten leicht einleuchten wird. Die oben genannten Schichten werden vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die Dotierungsarten und Konzentrationen, Dicken etc. aufweisen, wie es oben ausgeführt wurde.
Es wird Fachleuten ebenfalls verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ von Diode beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung vorzugsweise für alle Dioden einschließlich eines P-N-Übergangs verwendet werden, bei denen eine weiche Irr-Wellenform gewünscht wird, wie zum Beispiel MOSFET-Körperdioden.
Viele Modifikationen und andere Ausgestaltungen der Erfindung werden Fachleuten in den Sinn kommen mit den Vorteilen der Techniken, die in der vorangegangenen Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen dargelegt wurden. Daher ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen spezifischen Ausgestaltungen beschränkt ist, und dass andere Modifikationen und Ausgestaltungen innerhalb des Schutzumfangs der anhängigen Ansprüche enthalten sind.

Claims

Eine Halbleiterdiode, umfassend: eine erste Halbleiterschicht, die eine Dotiersubstanz mit einer ersten Leitfähigkeitsart aufweist; eine zweite Halbleiterschicht, angrenzend an besagte erste Halbleiterschicht, die eine Dotiersubstanz mit der ersten Leitfähigkeitsart aufweist und eine Dotierungskonzentration hat, die geringer ist als die Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht; eine dritte Halbleiterschicht, angrenzend an besagte zweite Halbleiterschicht, die eine Dotiersubstanz mit der ersten Leitfähigkeitsart aufweist und eine Dotierungskonzentration hat, die größer ist als die Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht; eine vierte Halbleiterschicht, angrenzend an besagte dritte Halbleiteschicht, welche eine Dotiersubstanz mit einer zweiten Leitfähigkeitsart aufweist; und entsprechende Kontakte, die mit der ersten und vierten Halbleiterschicht verbunden sind; eine dazwischenliegende Halbleiterschicht zwischen der besagten ersten Halbleiterschicht und besagter zweiter Halbleiterschicht, welche eine Dotiersubstanz der ersten Leitfähigkeitsart und eine Dotierungskonzentration zwischen der Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht und der Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der besagte vierte Halbleiterschicht eine Dotierungskonzentration aufweist, die größer ist als die Dotierungskonzentration besagter dritter Halbleiterschicht.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die besagte dritte Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von etwa 4 bis 6 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die Dotierungskonzentration der besagten dritten Halbleiterschicht im Bereich von etwa 1 × 10¹⁴ bis 1 × 10¹⁶ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die besagte vierte Halbleiterschicht eine Dicke von etwa 2 bis 4 μm aufweist.
Eine Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die besagte vierte Halbleiterschicht eine Dotierungskonzentration im Bereich von weniger als etwa 1 × 10¹⁷ cm^–3 aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die besagte vierte Halbleiterschicht von der besagten dritten Halbleiterschicht umgeben ist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die besagte erste Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von etwa 100 bis 400 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 1 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁹ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die besagte zweite Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von etwa 7 bis 70 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht im Bereich von etwa 6 × 10¹³ bis 6 × 10¹⁴ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 11, bei der die besagte dazwischenliegende Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von etwa 8 bis 35 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die Dotierungskonzentration der besagten dazwischenliegenden Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 2,5 × 10¹⁴ bis 1,3 × 10¹⁵ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, bei der die erste Leitfähigkeitsart vom N-Typ und die zweite Leitfähigkeitsart vom P-Typ ist.
Eine Halbleiterdiode, welche umfasst: eine erste Halbleiterschicht, welche eine Dotiersubstanz mit einer ersten Leitfähigkeitsart aufweist; eine zweite Halbleiterschicht, angrenzend an die besagte erste Halbleiterschicht, welche eine Dotiersubstanz mit der ersten Leitfähigkeitsart aufweist und eine Dotierungskonzentration aufweist, die geringer ist als die Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht; eine dazwischenliegende Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht, welche eine Dotiersubstanz mit der ersten Leitfähigkeitsart und eine Dotierungskonzentration zwischen der Dotierungskonzentration von der besagten ersten Halbleiterschicht und der Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht aufweist; eine erste dotierte Region in der besagten zweiten Halbleiterschicht, welche die erste Leitfähigkeitsart hat und eine Dotierungskonzentration aufweist, die größer ist als die Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht; eine zweite dotierte Region in der besagten ersten dotierten Region mit einer zweiten Leitfähigkeitsart; und entsprechende Kontakte, die mit der ersten Halbleiterschicht und der besagten zweiten, dotierten Region verbunden sind.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die besagte zweite, dotierte Region eine Dotierungskonzentration aufweist, die größer ist als die Dotierungskonzentration der besagten ersten, dotierten Region.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die besagte erste dotierte Region eine Dicke in einem Bereich von etwa 4 bis 6 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die Dotierungskonzentration der besagten ersten, dotierten Region in einem Bereich von etwa 1 × 10¹⁴ bis 1 × 10¹⁶ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die besagte zweite, dotierte Region eine Dicke von etwa 2 bis 4 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die besagte zweite, dotierte Region eine Dotierungskonzentration im Bereich von weniger als etwa 1 × 10¹⁷ cm^–3 aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die besagte zweite, dotierte Region von der besagten ersten dotierten Region umgeben ist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die besagte erste Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von etwa 100 bis 400 μm aufweist.
Die Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 1 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁹ cm^–3 liegt.
Die Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der besagte zweite Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von etwa 7 bis 70 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 6 × 10¹³ bis 6 × 10¹⁴ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die besagte dazwischenliegende Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von 8 bis 35 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die Dotierungskonzentration der besagten dazwischenliegenden Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 2,5 × 10¹⁴ bis 1,3 × 10¹⁵ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 15, bei der die erste Leitfähigkeitsart vom N-Typ und die zweite Leitfähigkeitsart vom P-Typ ist.
Eine Halbeiter-Diode, welche umfasst: eine erste Halbleiterschicht mit einer Dotiersubstanz, die eine erste Leitfähigkeitsart aufweist; eine zweite Halbleiterschicht, angrenzend an die besagte erste Halbleiterschicht, die eine Dotiersubstanz mit der ersten Leitfähigkeitsart aufweist und eine Dotierungskonzentration aufweist, die geringer ist, als die Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht; eine dazwischenliegende Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht, welche eine Dotiersubstanz mit der ersten Leitfähigkeitsart und eine Dotierungskonzentration zwischen der Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht und der Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht aufweist; eine erste dotierte Region in der besagten zweiten Halbleiterschicht, mit der ersten Leitfähigkeitsart und mit einer Dotierungskonzentration, größer als die Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht; eine zweite dotierte Region in der besagten ersten dotierten Region mit einer zweiten Leitfähigkeitsart und einer Dotierungskonzentration, größer als die Dotierungskonzentration der besagten ersten dotierten Region; und entsprechende Kontakte, die mit der besagten ersten Halbleiterschicht und der besagten zweiten dotierten Region verbunden sind.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die besagte erste, dotierte Region eine Dicke in einem Bereich von etwa 4 bis 6 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die Dotierungskonzentration der besagten ersten, dotierten Region in einem Bereich von etwa 1 × 10¹⁴ bis 1 × 10¹⁶ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die besagte zweite, dotierte Region eine Dicke von etwa 2 bis 4 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die besagte zweite, dotierte Region eine Dotierungskonzentration in einem Bereich von etwa 1 × 10¹⁷ cm^–3 aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die besagte zweite, dotierte Region von der besagten ersten dotierten Region umgeben ist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die besagte erste Halbleiterschicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 100 bis 400 μm hat.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die Dotierungskonzentration der besagten ersten Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 1 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁹ cm^–3 liegt.
Die Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die besagte zweite Halbleiterschicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 7 bis 70 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die Dotierungskonzentration der besagten zweiten Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 6 × 10³ bis 6 × 10¹⁴ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die besagte dazwischenliegende Halbleiterschicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 8 bis 35 μm aufweist.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die Dotierungskonzentration der besagten dazwischenliegenden Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 2, 5 × 10¹⁴ bis 1,3 × 10¹⁵ cm^–3 liegt.
Halbleiterdiode gemäss Anspruch 29, bei der die erste Leitfähigkeitsart vom N-Typ und die zweite Leitfähigkeitsart vom P-Typ ist.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterdiode, welches umfasst: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit einer Dotiersubstanz, welche eine erste Leitfähigkeitsart aufweist; Aufwachsen einer ersten epitaxialen Schicht der ersten Leitfähigkeitsart, angrenzend an das Halbleitersubstrat, mit einer Dotierungskonzentration, geringer als die Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats; Aufwachsen einer zweiten epitaxialen Schicht der ersten Leitfähigkeitsart zwischen dem Halbleitersubstrat und der ersten epitaxialen Schicht, welche einer Dotierungskonzentration zwischen der Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats und der Dotierungskonzentration der ersten epitaxialen Schicht aufweist; Dotieren einer ersten Region mit der ersten Leitfähigkeitsart in der ersten epitaxialen Schicht bis zu einer Dotierungskonzentration, die größer ist als die Dotierungskonzentration der ersten epitaxialen Schicht; Dotieren einer zweiten Region mit einer zweiten Leitfähigkeitsart innerhalb der ersten Region; und Anordnen von entsprechenden Kontakten auf dem Halbleitersubstrat und der zweiten Region.
Verfahren gemäss Anspruch 42, bei dem die Dotierung der zweiten Region eine Dotierung der zweiten Region auf eine größere Dotierungskonzentration als die Dotierungskonzentration der ersten Region umfasst.
Verfahren gemäss Anspruch 42, bei dem das Dotieren der ersten Region ein Dotieren der ersten Region bis auf eine Tiefe im Bereich von etwa 4 bis 6 μm umfasst.
Verfahren gemäss Anspruch 42, bei dem die Dotierung der ersten Region eine Dotierung der ersten Region bis auf eine Dotierungskonzentration im Bereich von etwa 1 × 10¹⁴ bis 1 × 10¹⁶ cm^–3 umfasst.
Verfahren gemäss Anspruch 42, bei dem das Dotieren der zweiten Region ein Dotieren der zweiten Region bis in eine Tiefe im Bereich von etwa 2 bis 4 μm umfasst.
Verfahren gemäss Anspruch 42, bei dem das Dotieren der zweiten Region ein Dotieren der zweiten Region bis auf eine Dotierungskonzentration im Bereich von weniger als etwa 1 × 10¹⁷ cm^–3 umfasst.
Verfahren gemäss Anspruch 42, bei dem die erste Leitfähigkeitsart vom N-Typ und die zweite Leitfähigkeitsart vom P-Typ ist.