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Die
Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
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Halbleiterbauteile
werden in der Regel so ausgelegt, dass sie möglichst optimale Durchbruchseigenschaften
aufweisen. Die Durchbruchseigenschaften eines Halbleiterbauteils
sind stark von der Ausgestaltung der Randbereiche des Halbleiterbauteils
abhängig.
Aus diesem Grund sind Randbereich-Konstruktionen Gegenstand intensiver
Forschungstätigkeit.
Randbereiche dienen in erster Linie dazu, elektrische Feldstärken zwischen
einem aktiven Bereich (Zellenfeld) und einer Sägekante des Halbleiterbauteils
auf gewünschte
Werte einzustellen. Um einen verfrühten Durchbruch im Sperrzustand
des Halbleiterbauteils zu vermeiden, dürfen die elektrischen Feldstärken innerhalb
des Randbereichs die Durchbruch-Feldstärken-Maximalwerte nicht überschreiten. Dazu wird versucht,
die Äquipotenziallinien
so aus dem Inneren des Halbleiterbauteils bzw. aus dem Inneren des
Randbereichs an die Oberfläche
des Halbleiterbauteils zu führen,
dass übermäßig starke
Potenzialgradienten vermieden werden. Das definierte Nach-außen-Führen der Äquipotenziallinien wird als "Äquipotenziallinien-Management" bezeichnet.
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Bei
der Konzeption von Randbereich-Konstruktionen sollte darauf geachtet
werden, dass Oberflächenladungen,
das heißt
Ladungen, die sich an der Oberfläche
des Halbleiterkörpers
des Halbleiterbauteils befinden, innerhalb des Randbereichs weitgehend
vermieden werden. Oberflächenladungen
können
beispielsweise während
des Herstellungsprozesses des Halbleiterbauteils generiert werden
oder aus dem Außenraum
in den Halbleiterkörper
gelangen und bewirken je nach Größenordnung der
Ladungskonzentration eine Feldverzerrung in der in dem Halb leiterkörper ausbildbaren
Raumladungszone, was wiederum eine Verschlechterung der Durchbruchseigenschaften
nach sich zieht.
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In
der Regel wird das Halbleiterbauteil durch eine Passivierungsschicht,
die auf dem aktiven Bereich und dem daran angrenzenden Randbereich
abgeschieden wird, abgeschlossen. Die auf der Passivierungsschicht
lokalisierten Ladungen führen
zu einer nicht unerheblichen Beeinflussung des elektrischen Felds
innerhalb des Halbleiterkörpers,
insbesondere innerhalb des Randbereichs, was in der Regel eine Verschlechterung
der Durchbruchseigenschaften nach sich zieht. Ähnlich negative Auswirkungen
haben elektrische Felder, die extern erzeugt werden und bis in den
Halbleiterkörper
des Halbleiterbauteils hineinreichen.
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Im
Einzelnen ist aus der
DE
197 41 167 A1 eine Randstruktur für ein Halbleiterbauelement
bekannt, bei der einer Anodenzone eine Halbleiterzone des gleichen
Leitungstyps wie die Anodenzone vorgelagert ist. Diese Anodenzone
liegt unterhalb von Feldelektroden und weist eine laterale Variation
ihrer Dotierung auf: in ihr liegen einzelne Bereiche vor, in denen
die Dotierungskonzentration von der Anodenzone aus, also von innen
nach außen,
immer geringer wird. Es wird hier also ein Halbleiterbauteil beschrieben,
in dessen Randbereich unterhalb von Feldelektroden, die lateral
voneinander beabstandet sind, ausgehend von einem aktiven Bereich
eine Halbleiterzone vorgesehen ist, in welcher die Dotierstoff-Konzentration
in Richtung auf den Rand des Halbleiterbauteils hin mehr oder weniger
kontinuierlich abnimmt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauteil und
insbesondere eine Randbereich-Konstruktion des Halbleiterbauteils
anzugeben, mit dem Feldverzerrungen vermieden werden können, die
aufgrund externer elektrischer Felder bzw. aufgrund von auf der
Passivierungsschicht des Halbleiterbauteils lokalisierten Ladungen
bewirkt werden.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Halbleiterbauteil gemäß Patentanspruch
1 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der
Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Halbleiterbauteil weist
einen Halbleiterkörper
des einen Dotiertyps auf, in/auf dem ein aktiver Bereich und ein
an den aktiven Bereich lateral angrenzender Randbereich ausgebildet
sind. Der Randbereich umfasst eine Halbleiterzone des anderen Dotiertyps,
deren Dotierstoff-Konzentration,
ausgehend von dem aktiven Bereich, in Richtung des Rands des Halbleiterbauteils abnimmt.
Eine derartige Zone wird auch als VLD-Zone (Variation of Lateral
Doping) bezeichnet.
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Die
Dotierstoff-Konzentration hat ausgehend vom aktiven Bereich zum
Rand des Halbleiterbauteils hin einen wellenförmigen, im Mittel abnehmenden
Verlauf (d. h. es liegen lokale Maxima/Minima vor).
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Unter "aktiver Bereich" wird hier insbesondere
der Teil des Halbleiterbauteils verstanden, in bzw. durch den im
Durchlasszustand der Großteil
der innerhalb des Halbleiterbauteils auftretenden elektrischen Ströme fließt. Oberhalb
der Halbleiterzone sind mehrere lateral voneinander beabstandete
Feldelektroden vorgesehen, die im Wesentlichen parallel zum Rand
des aktiven Bereichs verlaufen und gegenüber dem Halbleiterkörper vertikal
beabstandet sind.
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Die
laterale Beabstandung zwischen den Feldelektroden kann konstant
sein. Alternativ ist es möglich,
die Feldelektroden so anzuordnen, dass die laterale Beabstandung
zwischen diesen, ausgehend von dem aktiven Bereich, in Richtung
des Rands des Halbleiterbauteils zunimmt. Auch andere Beabstandungsmuster
sind möglich.
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Zwischen
den Feldelektroden und dem Halbleiterkörper ist vorteilhafterweise
eine Isolationsschicht vorgesehen. Weiterhin kann das Halbleiterbauteil
eine Passivierungsschicht zum Schutz des Halbleiterbauteils gegenüber mechanischen
Einflüssen
aufweisen.
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Die
Feldelektroden können
als floatende Feldelektroden ausgestaltet sein. Alternativ können die
Feldelektroden mit der Halbleiterzone (lokal, insbesondere in den
Chip-Ecken) elektrisch verbunden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist jede Feldelektrode mit dem unmittelbar unterhalb der jeweiligen
Feldelektrode liegenden Bereich der Halbleiterzone elektrisch verbunden.
Da sich das Potenzial innerhalb der Halbleiterzone entlang einer
Richtung ändert,
die vom aktiven Bereich zum Rand des Halbleiterbauteils zeigt, liegen
die Feldelektroden auf unterschiedlichem Potenzial, wenn diese mit
Halbleiterzonen-Bereichen unterschiedlicher lateraler Position elektrisch
verbunden sind. Dies ist auch der Fall, wenn die Feldelektroden
frei floatend ausgestaltet sind. Auf diese Art und Weise wird zwischen
den Feldelektroden ein lateral verlaufendes elektrisches Feld aufgebaut,
das Ladungen, die sich oberhalb des Halbleiterkörpers, insbesondere zwischen
den Feldelektroden, befinden, in lateraler Richtung absaugt.
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Die
Feldelektroden dienen weiterhin zur Abschirmung des Halbleiterkörpers (insbesondere
des Randbereichs) gegenüber
externen elektrischen Feldern ("Faraday-Käfig"-Prinzip). Der Einfluss
oberhalb des Halbleiterkörpers
befindlicher Ladungen bzw. externer elektrischer Felder kann durch
das Vorsehen der Feldelektroden demnach wirksam eliminiert werden.
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Die
Feldelektroden sind vorzugsweise als ringförmige Elektroden, die den aktiven
Bereich umschließen,
ausgestaltet. Alternativ können
die Metallringe unterbrochen oder in sich versetzt ausgestaltet sein.
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Vorteilhafterweise
wird auf dem Randabschluss eine Passivierungsschicht vorgesehen.
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Der
Randabschluss des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils
lässt sich
auf beliebige Halbleiterbauelemente und insbesondere auf Leistungshalbleiterbauelemente
anwenden. Beispielsweise kann das der Erfindung zugrunde liegende
Prinzip vorteilhaft in Dioden, Transistoren, Thyristoren, IGBTs,
etc. eingesetzt werden.
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Die
im Folgenden anhand der Figuren erläuterten Halbleiterbauteile
stellen keine Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar, erleichtern aber deren Verständnis. Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsdarstellung eines Randbereichs eines Halbleiterbauteils,
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2 Potenzialverläufe innerhalb
des Randbereichs von Halbleiterbauteilen,
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3A eine
Draufsicht auf eine erste Ausführungsform
einer Feldelektroden-Anordnung,
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3B eine
Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform
einer Feldelektroden-Anordnung.
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Die
Dotiertypen sämtlicher
Ausführungsformen
können
invertiert werden, das heißt
p-Gebiete können
durch n-Gebiete ersetzt werden und umgekehrt.
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In 1 ist
ein Halbleiterbauteil 1 im Querschnitt zu sehen, das einen
Halbleiterkörper
des einen Dotiertyps (n-dotiert) 2 aufweist.
In dem Halbleiterkörper 2 sind
ein aktiver Bereich 3 (in 1 nur teilweise
zu sehen) sowie ein an den aktiven Bereich 3 lateral angrenzender
Randbereich 4 ausgebildet. Vom aktiven Bereich 3 ist
in 1 lediglich der äußere Teil einer p-dotierten
Wanne 5 zu sehen, die an der Oberfläche 6 des Halbleiterkörpers 2 angrenzend ausgebildet
ist. Der Randbereich 4 umfasst den äußersten Bereich der p-dotierten Wanne 5 sowie
eine Halbleiterzone 7 des anderen Dotiertyps (p-dotiert), die
ebenfalls an der Oberfläche 6 des
Halbleiterkörpers 2 angrenzend
ausgebildet ist, an die p-dotierte Wanne 6 lateral
angrenzt und deren Dotierstoff-Konzentration,
ausgehend von dem aktiven Bereich 3, in Richtung des Rands 8 des
Halbleiterbauteils abnimmt. Weiterhin ist an der Oberfläche 6 des
Halbleiterbauteils 1, beabstandet zur Halbleiterzone 7 ("VLD-Zone") ein Kanalstopper 9 zur
Begrenzung der räumlichen
Ausdehnung einer in dem Halbleiterkörper 2 ausbildbaren
Raumladungszone vorgesehen. Die p-dotierte Wanne 5 wird durch
eine erste Metallisierungsschicht 10 und der Kanalstopper 9 durch eine
zweite Metallisierungsschicht 11 kontaktiert. Auf dem Halbleiterkörper 2 ist
eine Isolationsschicht 12 vorgesehen, auf der wiederum
Feldelektroden 13 angeordnet sind. Die Feldelektroden 13 sind
mit jeweils unterschiedlichen Bereichen (die Bereiche weisen unterschiedliche
laterale Positionen auf) der Halbleiterzone 7 über Verbindungen 14 elektrisch
verbunden. Die Feldelektroden 13 sind oberhalb der Halbleiterzone 7 angeordnet.
Jede Feldelektrode 13 nimmt das Potenzial des unterhalb
der Feldelektrode liegenden Bereichs der Halbleiterzone 7 an.
Damit werden im Sperrzustand zwischen den Feldelektroden 13 eventuell
befindliche Ladungen in lateraler Richtung zu einer der Feldelektroden
hin abgesaugt, womit der Einfluss dieser Ladungen eliminiert werden kann.
Weiterhin wirken die Feldelektroden 13 als Faraday'scher Käfig, indem
diese externe elektrische Felder vom Eindringen in den Halbleiterkörper 2 abhalten.
Somit kann durch die Feldelektroden 13 ein unerwünschtes
Herabsetzen der Durchbruchspannung des Halbleiterbauteils 1 verhindert
werden. Auf dem Randabschluss ist eine Passivierungsschicht 16 vorgesehen,
die beispielsweise aus Nitrid besteht.
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Das
beschriebene Halbleiterbauteil kann z. B. eine Diode, ein IGBT oder
ein Thyristor sein. Die zugehörigen
zusätzlichen Emitter-
bzw. Source-Zonen sind zur Vereinfachung in 1 nicht
dargestellt.
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In 2 sind
Potenzialverläufe
entlang der Halbleiteroberfläche 6 (laterale
Richtung) bei der jeweiligen Durchbruchsspannung des Halbleiterbauteils 1 sowie
eines anderen herkömmlichen
Halbleiterbauteils gezeigt. Kurve a) zeigt einen Potenzialverlauf
des in 1 gezeigten Halbleiterbauteils für den Fall,
dass oberhalb der Isolationsschicht 12 keine Ladungen vorhanden
sind bzw. keine externen elektrischen Felder existieren. Kurve b)
gilt für
das andere herkömmliche
Halbleiterbauteil ohne Feldelektroden oberhalb des Randbereichs,
wobei oberhalb des Randbereichs Ladungen (N = +8 × 1011 cm–2) vorgesehen sind,
die, wie in 2 zu sehen ist, eine negative
Auswirkung auf den Potenzialverlauf haben. Kurve c) zeigt den Potenzialverlauf
für das
in 1 gezeigte Halbleiterbauteil bei Vorhandensein von
Ladungen (N = +8 × 1011 cm–2) oberhalb des Halbleiterkörpers 2 (insbesondere
oberhalb des Randbereichs 4).
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Aus 2 ist
deutlich zu entnehmen, dass das Halbleiterbauteil von 1 gegenüber dem
anderen herkömmlichen
Halbleiterbauteil eine erhöhte Durchbruchsfestigkeit
aufweist.
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Die
Feldelektroden 13 können
als geschlossene Ringe (siehe 3A) oder
als unterbrochene Ringe (siehe 3B), die
den aktiven Bereich 3 des Halbleiterbauteils umschließen, ausgebildet
sein. Sind die Feldelektroden 13 als unterbrochene Ringe ausgestaltet,
so können
die einzelnen Ringsegmente eines Rings auch gegeneinander versetzt
angeordnet sein.
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Es
wird hier ein planarer Randabschluss für Leistungshalbleiterbauelemente
angegeben, der es ermöglicht,
ungünstige
Einflüsse
aus der äußeren Umgebung
auf ein Minimum zu reduzieren.
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Es
ist eine Reihe von Maßnahmen
bekannt, die die beim planaren pn-Übergang an der Ecke der p-Wanne
auftretende Feldüberhöhung vermindern bzw.
abschwächen.
Dies sind u. a. floatende Feldringe, Feldelektroden, eine der p-Wanne
vorgelagerte schwächer
dotierte p-Zone (JTE), das Resurf-Prinzip, floatende Metallringe über dem
Halbleitergebiet, sowie geeignete Passivierungsmaßnahmen,
die eine möglichst
lineare Potenzialverteilung über
den gesamten Randbereich bewirken, bzw. eine Kombination der genannten
Methoden.
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Ein
heute oft angewandtes Randprinzip für Hochvolt-Bauelemente stellen die bereits erwähnten floatenden
Feldringe dar, die optional noch zusätzlich mit ein- oder mehrstufigen
Feldelektroden (im Folgenden auch "Feldplatten" genannt) kontaktiert sein können. Die
Feldplatten haben die Funktion, die Feldstärken an gekrümmten pn-Übergängen abzuschwächen und
die Raumladungszone aufzuweiten.
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Nachteilig
an einem derartigen Randabschluss sind außer dem hohen Bedarf an Randfläche die
an den Ecken von p-/n-Wannen und an jedem Feldring verbleibenden
Feldüberhöhungen. Ein
weiteres Problem stellen die Kanten der in der Regel mehrstufig
ausgebildeten Feldplatten dar, da sie insbesondere dann, wenn sie
dicht über
der Halbleiteroberfläche
liegen, eine Feldüberhöhung unter der
jeweiligen Kante im Halbleiterkörper
bewirken, wo das Bauelement dann durchbrechen kann. Des Weiteren
können
hohe Feldspitzen in der Isolationsschicht auftreten, so dass es
zu einem elektrischen Überschlag
zwischen benachbarten Feldplatten im Dielekrikum kommen kann. All
diese Effekte treten bereits bei statischer Sperrbelastung auf und
verstärken
sich teilweise sehr bei einem dynamischen Ein- und Abschalten des Bauelements. In
diesem Zusammenhang sei auf die
DE 198 39 971 A1 verwiesen.
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Ein
besonderes Problem bei Randabschlüssen sind Oberflächenladungen,
die entweder durch den technologischen Herstellungsprozess erzeugt werden,
oder die aus dem Außenraum
kom men können.
Sie bewirken – je
nach Größenordnung – eine Feldverzerrung
in der Raumladungszone, so dass die Durchbruchspannungsstabilität zum Teil
stark sinkt.
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Man
spricht vom VLD-Randabschluss, wenn die der p-Wanne vorgelagerte
schwächer
dotierte p-Zone in ihrer lateralen Dotier-Konzentration nach außen hin
kontinuierlich abnimmt. Es hat sich herausgestellt, dass bei Einsatz
eines VLD-Randabschlusses
bei entsprechender Dimensionierung die Durchbruchsspannung des Randbereichs
bis zu 100 der Volumendurchbruchspannung beträgt, wobei die benötigte Randbreite
die vertikale Sperrschichtweite nicht stark überschreitet (gilt für Bauteile,
die keine Felstoppschicht verwenden). Im Vergleich zu anderen planaren
Randabschlüssen
ist dies eine deutliche Reduzierung an Randfläche und damit ein Gewinn an
aktiver Fläche.
Durch den kontinuierlichen lateralen Dotierverlauf werden in der VLD-Zone
jegliche Feldüberhöhungen vermieden. Außerdem hat
sich herausgestellt, dass das an der Ecke der p-Wanne auftretende
Feldmaximum effektvoll abgeschwächt
werden kann, wenn die vertikale Diffusionstiefe der VLD-Zone etwas
größer ist
als die der n-/p-Wanne des daran angrenzenden aktiven Bereichs.
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Zur
Vermeidung von unerwünschten
Feldverzerrungen durch Ladungen aus dem Außenraum können über der VLD-Zone, d. h. auf
einer auf dem Halbleiterkörper
vorgesehenen Isolationsschicht noch zusätzliche, dicht beieinander
liegende schmale Metallringe angebracht werden, deren Abstände zueinander
in lateraler Richtung nach außen
hin zunehmen sollten. Die Metallringe können dabei an bestimmten bevorzugten
Stellen im Chip mit der VLD-Zone kontaktiert sein, um das dortige
Potenzial aufzunehmen. Sie können
aber auch vollständig
floatend ausgestaltet sein. Die Metallringe haben die Aufgabe, das
Bauelement vor unerwünschten
Einflüssen
aus dem Außenraum
zu schützen,
da sich unter Sperrbelastung ein laterales Feld zwischen zwei benachbarten
Metallringen aufbaut, das in der Lage ist, von außen kommende
Ladungen abzusaugen.
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Diesbezügliche Simulationsrechnungen
für ein
Hochvolt-Bauelement
der 3,3 kV-Spannungsklasse haben gezeigt, dass das Sperrverhalten
durch die Anbringung von mit der VLD-Zone kontaktierten Metallringen
an sich sehr wenig beeinflusst wird. Kurve a) in 2 zeigt
den Potenzialverlauf entlang der Halbleiteroberfläche bei
der Durchbruchspannung. Bringt man nun beispielsweise über der
Isolationsschicht im Außenraum
eine positive Flächenladung der
Dichte 8 × 1011 cm–2 an, um den Einfluss
von Ladungen aus dem Außenraum
zu simulieren, so ist der Einfluss auf das Bauelement ohne Metallringe
erheblich. Die Durchbruchspannung sinkt von ursprünglich 5220
Volt auf 3130 Volt, d. h. um fast 40%. Die Raumladungszone wird
stark verengt, entsprechend steigen die Feldstärken an der n-/p-Wanne (in 1 p-Wanne
5). Kurve b) in 2 zeigt den zugehörigen Potenzialverlauf
bei der Durchbruchspannung. Beim Bauelement mit Metallringen dagegen
fällt die
Sperrspannungsreduktion deutlich geringer aus. Hier sinkt die Durchbruchspannung
nur noch von ursprünglich 5190
Volt auf 4960 Volt (4%), da offensichtlich die Metallringe die äußere Ladung
effektiv abschirmen können.
In Kurve c) in 2 ist der zugehörige Potenzialverlauf
dargestellt. Bei floatenden Metallringen ist die Abschirmwirkung
etwas geringer. Hier sinkt die Durchbruchspannung um 420 Volt (8%).
Bei floatenden Metallringen ist des Weiteren zu beachten, dass sie
bei dynamischen Schaltvorgängen
in jedem Zyklus aufgeladen werden können.
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Ein
Aspekt ist die Erkenntnis, dass nicht nur Oberflächenladungen, d. h. Ladungen,
die direkt an der Halbleiteroberfläche lokalisiert sind, das statische Sperrverhalten
(und auch das dynamische Abschaltverhalten) empfindlich stören können, sondern
auch unerwünschte
Einflüsse
aus dem Außenraum.
Dies können
z. B. Felder vom Gehäuse
des Halbleiterbauteils oder aus der Umgebung einströmende Ladungen
sein. Um deren Einfluss auf ein Minimum zu reduzieren, werden über dem
Randbereich eines VLD-Randabschlusses auf der Isolationsschicht
leitende Feldplatten ringförmig
angebracht, die die Raumladungszone vor äußeren Störungen wirksam abschirmen.
Unter Sperrspannungsbelastung bildet sich jeweils zwischen zwei
benachbarten Feldplatten durch den Potenzialunterschied zwischen
ihnen ein laterales Feld, das aus dem Außenraum kommende Ladungen wegsaugt.
Die Feldplatten können
dabei entweder direkt floatend oder aber an bestimmten Stellen im
Chip mit der VLD-Zone kontaktiert sein. Die Abschirmwirkung der
Feldplatten gilt sowohl für positive
und negative Ladungen aus dem Außenraum, als auch für Feldverzerrungen
durch den Modulaufbau.