DE10104264C2 - Leistungsdiode mit Feldplatten-Randstruktur - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsdiode mit einer Feldplatten-Randstruktur aus wenigstens einer Feld­ platte, die durch eine Isolierschicht von einem Halbleiter­ körper des einen Leitungstyps getrennt ist und einen pn- Übergang im Halbleiterkörper zwischen einer im Halbleiter­ körper vorgesehenen Wannenzone des anderen, zum einen Lei­ tungstyp entgegengesetzten Leitungstyps und den Halbleiter­ körper mindestens teilweise umgibt, wobei die wenigstens ei­ ne Feldplatte über eine zusätzliche Zone des gleichen Lei­ tungstyps wie diejenige der Wannenzone mit der Wannenzone und einer Metallisierung der Wannenzone verbunden ist.

Unter eine Leistungsdiode soll im folgenden auch eine kommu­ tierungsfeste Diode verstanden werden. Da aber jede Diode bei entsprechender Belastung bei der Kommutierung zerstört werden kann, wird hier der Begriff "Leistungsdiode" verwen­ det.

Bei Dioden ist es bekanntlich vorteilhaft, schwach dotierte Anodengebiete zu verwenden, da dies zu einem günstigen Aus­ gleich bzw. "Trade-Off" zwischen einerseits Durchlassverlus­ ten und andererseits Speicherladung bzw. Rückstromverlauf führt (vgl. hierzu DE-A-100 31 461).

Weiterhin gewährleisten bekanntlich bei Halbleiterbauelemen­ ten an deren Ränder vorgesehene Feldplatten eine hohe stati­ sche Sperrfähigkeit des von dieser Feldplatte umgebenen pn- Überganges des Halbleiterbauelementes (vgl. hierzu EP-B1- 0 341 453).

Mit derartigen Feldplattenrändern kann bei schnellen Frei­ laufdioden Langzeitstabilität erreicht werden. Allerdings kann es beim Abschalten dieser Dioden von einem Durchlassbe­ trieb in einen Sperrbetrieb zur Zerstörung des Halbleiter­ bauelementes kommen. Dies gilt insbesondere für ein schnel­ les Abkommutieren mit der statischen Sperrspannung des pn- Überganges vergleichbar hohen anliegenden Spannungen und großen Streuinduktivitäten. Die maximal zulässige Sperrspan­ nung darf dabei natürlich auch kurzzeitig nicht überschrit­ ten werden. Gerade in diesen Fällen kann, wie Versuche der Erfinder gezeigt haben, eine Zerstörung der Diode im Randbe­ reich und insbesondere in Chipecken festgestellt werden. Die Zerstörung tritt speziell bei Dioden mit mehreren Feldringen und von diesen ausgehenden Feldplatten dabei in der Regel im Bereich der am Rand der Anode gelegenen Feldplatte und nicht im Bereich der Feldringe auf. Die Feldringe können bei­ spielsweise p-leitend sein und in einem n-leitenden Halblei­ terkörper liegen, welcher als Anodenbereich eine p-leitende Wanne hat.

Bisher musste auf diese Schwäche der Dioden Rücksicht genom­ men werden, was bedeutet, dass die Schaltbedingungen eines mit einer entsprechenden Diode verbundenen Schalters, bei­ spielsweise eines IGBTs, entsprechend relaxiert bzw. ver­ langsamt werden. Durch dieses Relaxieren wird aber in Kauf genommen, dass die Einschaltverluste des Schalters über des­ sen niedrigstem, sonst erreichbarem Wert liegen. Damit muss beispielsweise ein IGBT aus thermischen Gründen bei einem niedrigeren Strom als einem sonst zulässigen Strom betrieben werden. Mit anderen Worten, der als Schalter der Diode ein­ gesetzte IGBT kann nicht vollständig ausgenutzt werden.

In der DE 197 41 167 A1 ist eine Randstruktur für ein Halb­ leiterbauelement beschrieben, bei dem eine wannenförmige p⁺- leitende Zone in einen n-leitenden Halbleiterkörper einge­ bettet ist. Diese wannenförmige Zone ist mit einer Metalli­ sierung versehen. Außerdem sind im Randbereich Feldplatten vorgesehen, die über eine zusätzliche p-leitende Zone mit der wannenförmigen Zone und deren Metallisierung verbunden sind, da diese Feldplatten an die zusätzliche Zone über Lei­ tungen angeschlossen sind.

Weiterhin beschreibt die EP 0 703 627 A1 eine Randstruktur eines Halbleiterbauelementes, bei der eine wannenförmige Zo­ ne im Abstand von Zonen des gleichen Leitungstyps wie die wannenförmige Zone umgeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsdio­ de zu schaffen, die sich durch hohe Sperrfähigkeit auszeich­ net, die weiterhin zuverlässig ohne Zerstörung schnell aus einem Durchlassbetrieb in einen Sperrbetrieb abgeschaltet werden kann, und die eine Erhöhung des lateralen Spannungs­ abfalls ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Leistungsdiode der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wannen­ zone und die zusätzliche Zone über eine weitere Zone, die den gleichen Leistungstyp wie die Wannenzone, aber eine niedrigere Dotierungskonzentration als diese hat, miteinan­ der verbunden sind, und dass die zusätzliche Zone eine höhe­ re Dotierungskonzentration als diejenige der Wannenzone aufweist.

Bei der erfindungsgemäßen Leistungsdiode ist die Feldplatte von der Metallisierung der Wannenzone getrennt, also nicht direkt an diese Metallisierung sondern vielmehr an eine zu­ sätzliche Zone des gleichen Leitungstyps wie die Wannenzone angeschlossen. Bildet die Wannenzone den Anodenbereich der Diode, so ist die Feldplatte nicht direkt an die Anodenme­ tallisierung angeschlossen, sondern mit einem die zusätzli­ che Zone bildenden p-leitenden und die Wannenzone umgebenden Ring verbunden, welcher über die weitere Zone und den Ano­ denbereich an die Anodenmetallisierung angeschlossen ist.

Die Erfindung beruht dabei auf den folgenden Überlegungen:
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau einer herkömmlichen Feldplattenstruktur bei einer Diode mit einem n-leitenden Halbleiterkörper 1, in welchem sich eine einen Anodenbereich bildende p-leitende Wannenzone 2 befindet, die über bei­ spielsweise eine Anodenmetallisierung 3 in metallischer Ver­ bindung mit einer Feldplatte 4 aus beispielsweise polykri­ stallinem Silizium in einer Isolierschicht 5 auf der Ober­ fläche des Halbleiterkörpers 1 befindet.

Kernpunkt der vorliegenden Erfindung ist nun die Erkenntnis, dass sich das Potenzial auf der innersten Feldplatte 4 (in Fig. 3 können sich auf der linken Seite der Feldplatte 4 zum Rand des Halbleiterkörpers 1 hin weitere Feldplatten an­ schließen), die in üblicher Weise mit dem Anodenbereich, al­ so der p-leitenden Wannenzone 2 kurzgeschlossen ist, nicht auf die Erfordernisse des aus Silizium bestehenden Halblei­ terkörpers 1 unterhalb der Feldplatte 4 bei Abkommutieren einstellen kann. Beim Abschalten der Diode aus einem Durch­ lassbetrieb in einem Sperrbetrieb muss nämlich die Über­ schwemmungsladung aus dem Volumen des Halbleiterkörpers 1 erst abgeführt werden, bevor die Diode am pn-Übergang zwi­ schen der Wannenzone 2 und dem Halbleiterkörper eine Raumla­ dungszone aufbauen und damit Sperrspannung aufnehmen kann. Kritisch ist dieser Vorgang insbesondere im Randbereich der Wannenzone 2, da dort nicht nur die Ladung direkt unterhalb der Wannenzone 2, sondern auch aus dem ebenfalls mit La­ dungsträgern überschwemmten Randgebiet abgeführt werden muss.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch die negative Vorpo­ lung der die Anode bildenden Wannenzone 2 beim Abkommutieren Löcher an die Grenzfläche der Isolierschicht 5 unterhalb der Feldplatte 4 gesaugt werden, wodurch ein regelrechter Lö­ cherkanal zur p-leitenden Wannenzone 2 gebildet wird. Die Geometrie der Feldplatte 4 mit ihrem stufenförmigen Verlauf bei größer werdendem Abstand zwischen der Feldplatte 4 und dem Halbleiterkörper 1 zum Rand hin kann auf die beste Sperrfähigkeit im statischen, stromlosen Zustand optimiert werden.

Versuche der Erfinder haben gezeigt, dass durch die hohen Ladungsträgerströme beim Abkommutieren sich die Potenzial­ verhältnisse im Silizium des Halbleiterkörpers 1 dramatisch im Vergleich zu einem stationären Betrieb verändern. Dadurch wird die Sperrfähigkeit des Randabschlusses drastisch ver­ mindert. Dies äußert sich in einem deutlich ausgeprägten lo­ kal fließenden Avalanche-Strom, der bei hoher Belastung der Diode kurz vor deren Zerstörung zu beobachten ist. Wird die­ se Belastung beispielsweise durch weitere Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit oder der an der Diode anliegenden Spannung gesteigert, so kann eine lokale Überlastung zum Ausfall der Dioden führen.

Bei der vorliegenden Erfindung ist nun die Feldplatte 4 nicht mehr direkt an die Anodenmetallisierung 3 angeschlos­ sen, sondern vielmehr mit der zusätzlichen Zone, insbesonde­ re einem umlaufenden p-Ring, verbunden, der seinerseits über die weitere Zone und die p-leitende Wannenzone 2, also die Anodendotierung, mit der Anodenmetallisierung verbunden ist. Damit können die zusätzliche Zone, im obigen Beispiel also der p-leitende Ring, und auch die Feldplatte dynamisch ein anderes Potenzial annehmen als die Anodenmetallisierung, so dass sich die Feldplatte an die Verhältnisse in dem den Halbleiterkörper bildenden Silizium im Randbereich anzupas­ sen vermag. Im statischen Feld kommt es zu einem Potenzial­ ausgleich über die widerstandsbehaftete und den Anodenbe­ reich bildende p-leitende Wannenzone, so dass statisch die gleichen Verhältnisse wie bei der Diode von Fig. 3 vorlie­ gen.

Die zusätzliche Zone, die vorzugsweise durch einen p-lei­ tenden Ring gebildet ist, weist eine höhere Dotierungskon­ zentration als die p-leitende Wannenzone selbst auf.

Ein umlaufender p⁺-leitender Ring als zusätzliche Zone wirkt als Äquipotentialfläche und bedingt damit eine homogenere Aufteilung des Stromflusses aus dem Randbereich über die p- leitende Wannenzone zur Anodenmetallisierung als beim Stand der Technik.

Für den Durchlassfall ist es auch wichtig, dass ein gewisser elektrischer Widerstand zwischen dem Kontakt der Anodenme­ tallisierung und der zusätzlichen Zone aus einem höher do­ tierten, umlaufenden p-leitenden Ring gegeben ist. Denn sonst würde ein spürbarer Strom über diesen Bereich des Halbleiterkörpers fließen, welcher einen stärkeren Emitter­ wirkungsgrad als die Wannenzone besitzt. Dies ist uner­ wünscht, da höhere Schaltverluste eintreten würden.

Ein gewisser Abstand zwischen der Anodenmetallisierung und der zusätzlichen Zone durch die weitere Zone führt im Durch­ lassfall der Diode zu einem lateralen Spannungsabfall in der Wannenzone, so dass im Bereich der zusätzlichen Zone nur noch wenig Spannung für die Vorwärtspolung der Diode zur Verfügung steht und der höhere Emitterwirkungsgrad der zu­ sätzlichen Zone aus dem p⁺-leitenden Ring nicht zum Tragen kommt.

Die angegebenen Leitungstypen können auch jeweils umgekehrt sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer beste­ henden Leistungsdiode, die für das Verständnis der Erfindung nützlich ist,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Aus­ führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leis­ tungsdiode und

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer beste­ henden Diode.

Die Fig. 3 ist bereits eingangs erläutert worden.

In den Figuren werden einander entsprechende Bauteile je­ weils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 befindet sich in einem n-leitenden Halbleiterkör­ per 1 aus insbesondere Silizium eine p-leitende Wannenzone 2, welche einen Anodenbereich bildet. Diese Wannenzone 2 ist mit einer Anodenmetallisierung 3 versehen, welche sich über eine Isolierschicht 5 aus beispielsweise Siliziumdioxid erstrecken kann.

Auf bzw. in der Isolierschicht 5 sind noch eine Feldplatte 4 und gegebenenfalls eine weitere Feldplatte 6 vorgesehen. Die Form dieser Feldplatten 4, 6 ist an sich unerheblich. Auch kann die Feldplatte 6 gegebenenfalls entfallen. Die Feld­ platten 4 und 6 können beispielsweise aus polykristallinem Silizium oder aber auch aus Metall, wie z. B. Aluminium, be­ stehen.

Zusätzlich zur p-leitenden Wannenzone 2 ist noch ein p⁺- leitender Ring 7 als zusätzliche Zone des gleichen Leitungs­ typs wie die Wannenzone 2 vorgesehen. Dieser Ring 7, der an einer oder an mehreren Stellen unterbrochen sein kann, ist vorzugsweise p⁺-dotiert, also mit einer höheren Dotierungs­ konzentration als die Wannenzone 2 versehen. Es ist aber auch möglich, für den Ring 7 die gleiche Dotierungskonzent­ ration wie für die Wannenzone 2 vorzusehen. Der Ring 7 ist in elektrisch leitender, z. B. in metallischer Verbindung 8 mit den Feldplatten 4 und 6, so dass diese Feldplatten 4, 6 über den Ring 7 indirekt mit der Wannenzone 2 verbunden sind.

Gegebenenfalls kann der Ring 7 durch eine weitere Schicht 9, die insbesondere aus einer aufliegenden Metallisierung aus beispielsweise Al besteht, in seiner Leitfähigkeit verstärkt sein.

Das aus den Feldplatten 4 und 6 bestehende Feldplattensystem ist also bei dieser Diode nicht direkt an die Anodenmetalli­ sierung 3 angeschlossen, sondern mit dem Ring 7 verbunden, der seinerseits über die Wannenzone 2 an die Anodenmetalli­ sierung 3 angeschlossen ist.

Zwischen der Anodenmetallisierung 3 und dem Ring 7 sollte ein gewisser Abstand vorhanden sein, um einen spürbaren Strom über diesen Bereich des Halbleiterkörpers 1 bzw. der Wannenzone 2 zu verhindern. Dieser Abstand führt im Durch­ lassfall der Diode zu einem lateralen Spannungsabfall in der Wannenzone 2, so dass im Bereich des Ringes 7 nur noch wenig Spannung für die Vorwärtspolung der Diode zur Verfügung steht, wodurch ein höherer Emitterwirkungsgrad des p⁺- leitenden Ringes 7 nicht zum Tragen kommt.

Zur Erhöhung dieses lateralen Spannungsabfalls ist eine wei­ tere Zone als Verbindungszone 7a zwischen der Zone 7 und der Wannenzone 2 eingefügt, wobei die Verbindungszone 7a den gleichen Leitungstyps, aber eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit als die Wannenzone 2 besitzt, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Die Feldplatte 4 umgibt den pn-Übergang zwischen der Wannen­ zone 2 und dem Halbleiterkörper 1 wenigstens teilweise. Das heißt, die Feldplatte 4 ist ringförmig um die Wannenzone 2 angeordnet, wobei dieser Ring aber nicht unbedingt geschlos­ sen zu sein braucht. Ebenso ist die zusätzliche Zone 7 im wesentlichen ringförmig gestaltet, so dass diese Zone 7 die Wannenzone 2 umgibt. Hier gilt aber auch, dass der Ring nicht geschlossen zu sein braucht. Das heißt, die Zone 7 braucht die Wannenzone 2 nicht vollständig zu umgeben.

Claims (7)

1. Leistungsdiode mit einer Feldplatten-Randstruktur aus we­ nigstens einer Feldplatte (4, 6), die durch eine Isolier­ schicht (5) von einem Halbleiterkörper (1) des einen Lei­ tungstyps getrennt ist und einen pn-Übergang im Halbleiter­ körper (1) zwischen einer im Halbleiterkörper (1) vorgesehe­ nen Wannenzone (2) des anderen, zum einen Leitungstyp entge­ gengesetzten Leitungstyps und dem Halbleiterkörper (1) min­ destens teilweise umgibt, wobei die wenigstens eine Feldplat­ te (4, 6) über eine zusätzliche Zone (7) des gleichen Lei­ tungstyps wie derjenige der Wannenzone (2) mit der Wannenzone (2) und einer Metallisierung (3) der Wannenzone verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wannenzone (2) und die zusätzliche Zone (7) über eine weitere Zone (7a), die den gleichen Leitungstyp wie die Wannenzone(2) aber eine niedrigere Dotierungskonzentration als diese hat, miteinander verbunden sind, und
die zusätzliche Zone (7) eine höhere Dotierungskonzentrati­ on als diejenige der Wannenzone (2) aufweist.

2. Leistungsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung der Wannenzone (2) mit der Metallisie­ rung (3) im Abstand von der zusätzlichen Zone (7) angeordnet ist.

3. Leistungsdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Zone (7) die Wannenzone (2) ringförmig umgibt.

4. Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Feldplatte (4, 6) stufenförmig strukturiert ist.

5. Leistungsdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Feldplatte (4) mit zunehmender Ent­ fernung von der Wannenzone (2) einen größeren Abstand von der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) aufweist.

6. Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wannenzone (2) die Anodenzone ist.

7. Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Zone (7) durch eine weitere Schicht, vorzugsweise durch eine aufliegende Metallisierung, in ihrer Leitfähigkeit verstärkt ist.