DE102005029263A1 - Halbleiterbauelement mit verbesserter dynamischer Belastbarkeit - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper 100, der einen pn-Übergang PN1 aufweist, mit einer ersten Seite S1 und einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite S2, mit einem ersten Kontakt K1 auf der ersten Seite und mit einem zweiten Kontakt K2 auf der zweiten Seite beschrieben, wobei das Halbleiterbauelement zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften einen Randabschluss RA an einem ersten Bereich B1 der ersten Seite S1 aufweist, der sich von einem Rand RS1 der ersten Seite S1 mindestens bis zu dem pn-Übergang PN1 erstreckt, während ein zweiter Bereich B2 einen restlichen Bereich der ersten Seite S1 umfasst, einen Feldstopp 120 aufweist, der als Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von Halbleiterinseln 125 aufweist, die als Halbleiterbereiche eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp inversen, zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Feldstopp 120 derart angeordnet sind, dass dieselben nur unter dem zweiten Bereich B2 angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, wie z.B. für Freilaufdioden oder IGBT (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • Auf dem Gebiet der Leistungshalbleitertechnik ist man bestrebt, Halbleiterbauelemente mit Schutzmechanismen zu versehen, damit selbst unter Extrembedingungen einer Zerstörung der Halbleiterbauelemente vorgebeugt werden kann.
  • Derartige Extrembedingungen können unter anderem bei dem Abkommutieren von Leistungshalbleiterdioden auftreten. Während des Abkommutiervorgangs liegen beispielsweise an dem n-n-Übergang einer pn-n-Halbleiterdiode hohe elektrische Felder an, was zu einer lawinenartigen Ladungsträgererzeugung an dem n-n-Übergang führt. Zum gleichen Zeitpunkt treten an einem pn--Übergang der pn-n-Halbleiterdiode hohe elektrische Feldstärken auf, die zu einer lawinenartigen Ladungsträgererzeugung an dem pn--Übergang führen. Die abrupte, lawinenartige Erzeugung von Ladungsträgern, der sog. Lawineneffekt bzw. Avalanche-Effekt, bewirkt, dass in einem n--dotierten Mittelgebiet der Halbleiterdiode ein für das Sperrvermögen der Halbleiterdiode notwendiges hohes elektrisches Feld nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Die Halbleiterdiode verliert somit ihr Sperrvermögen und wird zerstört, falls nicht externe Maßnahmen zur Strom- und Leistungsbegrenzung vorgenommen wurden.
  • Um eine Zerstörung der Halbleiterdiode zu vermeiden, muss der Abkommutiervorgang der Diode bislang hinreichend langsam erfolgen. Wurden derartige Halbleiterdioden innerhalb von IGBT-Halbleitermodulen eingesetzt, musste dadurch jedoch eine Erhöhung der Einschaltverluste der IGBTs in Kauf genommen werden.
  • Eine weitere Möglichkeit, der Zerstörung der Halbleiterdiode vorzubeugen, besteht darin, die Chipdicke der Halbleiterdiode zu erhöhen bzw. die Menge der Überschwemmungsladung an der Anode zu verringern und gleichzeitig die Überschwemmungsladung an der Kathode zu erhöhen. Derartige Maßnahmen ziehen jedoch erhöhte Durchlassverluste bzw. Schaltverluste nach sich.
  • Bei IGBT-Halbleiterbauelementen, insbesondere bei Feldstopp-IGBT und PT-IGBT (PT = Punch Through), treten Extrembedingungen vor allem beim Abschalten hoher Ströme und bei Kurzschlüssen auf. Beim Abschalten hoher Ströme muss darauf geachtet werden, dass entsprechende Stromabfälle innerhalb des IGBT nicht zu steil ausfallen, was insbesondere dann der Fall ist, wenn bei einer benötigten Sperrspannung keine oder zu wenig Überschwemmungsladung im rückseitigen Teil des IGBT vorliegt und infolgedessen der Laststrom abreißt. Bei Kurzschlüssen kann aufgrund des starken Elektronenflusses durch den im IGBT induzierten Kanal der Zustand eintreten, dass die höchste elektrische Feldstärke innerhalb des IGBT nicht an den pn-Übergängen nahe der Vorderseite, sondern an einem rückseitigen nn+-Übergang zur Feldstoppschicht, die auch als Pufferschicht bezeichnet wird, hin auftritt. Dies kann wiederum dazu führen, dass an dem nn+-Übergang eine lawinenartige Erzeugung von Ladungsträgern bewirkt wird, die zu einer Reduktion der elektrischen Feldstärke innerhalb des IGBT und damit zu einem Verlust der Sperrfähigkeit des Bauelements führt. In beiden Fällen kann der IGBT zerstört werden.
  • Bei IGBTs mit „leckendem" Feldstopp erstreckt sich das elektrische Feld beispielsweise in einem n-Mittelgebiet bis kurz vor den n-Feldstopp. Die Sperreigenschaften und insbesondere die dynamischen Eigenschaften eines solchen IGBT hängen sehr stark von einer exakten Einstellung der Grunddotierung bzw. einer Abstimmung der Dotierungen der einzelnen Schichten und ihrer Schichtdicken zueinander ab. Dies gestaltet sich als schwierig, da üblicherweise beispielsweise die Grundmaterialdotierung um bis zu +/– 15 % schwanken kann.
  • Bei NPT-IGBT (NPT = Non-Punch Through) können die oben beschriebenen Probleme prinzipiell nicht auftreten, da in diesen Halbleiterbauelementen eine ausreichend dicke neutrale Zone verbleibt bzw. keine Feldstoppschicht vorhanden ist. Da das elektrische Feld innerhalb des NPT-IGBT aufgrund der erhöhten Dicke des Halbleiterbauteils sich praktisch nie im gesamten Halbleitervolumen ausbildet, steht während eines Stromabschaltvorgangs immer eine ausreichende Menge an Ladungsträgern für einen Stromtransport zur Verfügung, so dass der Laststrom nicht abreißen kann. Bei Kurzschlüssen führt eine höhere Elektronenstromdichte zu einem flacheren Gradienten des elektrischen Felds und somit zu einer Annäherung der Raumladungszone an den beispielsweise p-dotierten Rückseitenemitter, der aufgrund dessen mehr Löcher in das Halbleiterbauteil injiziert. Diese zusätzliche positive Ladung führt wiederum zu einem Aufsteilen des elektrischen Feldes und somit zur Stabilisierung desselben. Damit kann die Sperrfähigkeit des IGBT aufrechterhalten werden.
  • Nachteilig an NPT-IGBT ist jedoch deren gegenüber Feldstopp- bzw. PT-IGBT erhöhte Chipdicke, was Schalt- und Durchlassverluste entsprechend erhöht. Es ist daher versucht worden, die Feldstoppschicht zu unterbrechen bzw. inselförmig auszugestalten und/oder niedrig zu dotieren. Dies hat wiederum den Nachteil, dass ein Kompromiss zwischen der statischen Sperrfähigkeit des Halbleiterbauteils und der Softness bzw. Kurzschlussfestigkeit gefunden werden muss. Zwar ist es möglich, durch Erhöhen der Dotierung des Rückseitenemitters die Softness bzw. Kurzschlussfestigkeit des Halbleiterbauteils zu verbessern. Jedoch führt dies zu einer starken Ladungsträgerüberschwemmung auch unter normalen Bedingungen, was unerwünscht ist, da sich hieraus erhöhte Schaltverluste ergeben.
  • Die noch nicht veröffentlichte Patentanmeldung DE 103 61 136.3 beschreibt einen Ansatz, bei dem in einem aktiven Gebiet eines Leistungstransistors oder eines IGBT auf der Rückseite in einem Mittelfeldgebiet oder einem Feldstopp p-Inseln eingefügt werden, die in bestimmten Betriebszuständen Ladungsträger emittieren und somit den zuvor beschriebenen Effekten, insbesondere den Avalanche-Effekten entgegenwirken.
  • 3, die der 1 der nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 103 61 136.3 entspricht, zeigt eine Halbleiterdiode 1, die eine Anode 2, eine Kathode 3, eine erste Halbleiterschicht 4, eine zweite Halbleiterschicht 5 und eine dritte Halbleiterschicht 6 aufweist, wobei die erste Halbleiterschicht 4 n+-dotiert, die zweite Halbleiterschicht n-dotiert und die dritte Halbleiterschicht 6 p-dotiert ist, sowie das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild. Die erste, zweite und dritte Halbleiterschicht 4, 5 und 6 bilden zusammen ein Halbleitervolumen 7, das zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 vorgesehen ist. Innerhalb der zweiten Halbleiterschicht 5 sind mehrere p-dotierte Halbleiterzonen 81 bis 84 vorgesehen, die einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen und äquidistant voneinander beabstandet sind. Die Halbleiterzonen 81 bis 84 sind auf gleicher vertikaler Höhe angeordnet, wobei deren jeweilige Unterseiten direkt an die erste Halbleiterschicht 4 angrenzen. Der Übergang zwischen der Halbleiterschicht 4 und den Halbleiterzonen 81 bis 84 bzw. mit der Halbleiterschicht 5 ist mit J3, der Übergang zwischen den Halbleiterzonen 81 bis 84 und der zweiten Halbleiterschicht 5 ist mit J2 und der Übergang zwischen der zweiten und der dritten Halbleiterschicht 5, 6 mit J1 bezeichnet.
  • Bei Kommutierung der Halbleiterdiode in den Sperrzustand sind J2 in Durchlassrichtung, J1 und J3 in Sperrrichtung gepolt. Entsteht an dem Hauptübergang J1 ein dynamischer Avalanche, so ist J3 ebenfalls im Zustand des Avalanche. Während dieses Zustands befindet sich in der Mittelzone der Diode noch ein Ladungsträgerberg. J2 injiziert jetzt die im Avalanche von J3 erzeugten Löcher in den Ladungsträgerberg. Damit wird verhindert, dass sich der Ladungsträgerberg von dem Übergang J3 ablöst. Die injizierten Löcher kompensieren die durch dynamischen Avalanche von dem Übergang J1 kommenden Elektronen. Es kann sich somit keine durch die freien Elektronen getragene Raumladungszone zwischen Ladungsträgerberg und n+-Zone, also der ersten Halbleiterschicht 4, aufbauen.
  • Die durch die Halbleiterzonen 81 bis 84 gebildete p-Zone ist unterbrochen, was durch einen Widerstand R beschrieben werden kann. Bei einer durchgehenden p-Zone würde der Übergang J2 sperren, wenn die Diode in Durchlassrichtung betrieben werden würde. Durch den Widerstand R finden kleine Ströme in Durchlassrichtung einen Nebenschluss. Bei typischen Betriebsströmen wird die pnpn-Struktur durchgesteuert, das heißt eingeschaltet und mit Ladungsträgern überschwemmt. Der Widerstand R sollte nicht zu klein sein: Bei Kommutierung muss an dem Übergang J3 eine Spannung aufgebaut werden, die zu einem Avalanche führt.
  • Ein wesentlicher Aspekt des beschriebenen Ansatzes ist, bei einer Hochvolt-Diodenstruktur die Kommutier-Festigkeit durch einen stabilisierenden, dynamischen Avalanche an einem pn-Übergang an der Kathode beim Schalten zu verbessern. Die dargestellte Halbleiterdiode bewirkt durch den dynamischen Avalanche eine Stabilisierung des elektrischen Feldes und ermöglicht damit die Vermeidung zerstörerischer elektrischer Felder an einem nn+-Übergang, ohne dass die Halbleiterdiode eine solch große Mittelzonendicke aufweisen müsste, dass ein dynamischer Avalanche an einem pn-Übergang der Halbleiterdiode beendet wird, bevor sich ein elektrisches Feld an dem nn+-Übergang ausbilden kann.
  • Nachteilig an dem zuvor beschriebenen Ansatz ist die mit den p-Leiterzonen bzw. p-Inseln einhergehende, erhebliche Reduktion der statischen Sperrspannung und damit der resultierenden Sperrfähigkeit des Bauelements. Des Weiteren erzeugen die p-Inseln hohe Trägerdichten auch im Rand des Halbleiterbauelements. Hohe Trägerdichten im Rand sind jedoch unerwünscht, weil typischerweise notwendige Randabschlüsse von Halbleiterbauelementen auf die statischen Dotierungen dimensioniert sind und die zusätzlichen Träger zu höheren Belastungen, insbesondere in den Randbereichen des Halbleiterbauelements führen. Die hohen Trägerdichten bzw. hohen Strom dichten im Rand können zu einer vorzeitigen Zerstörung des Halbleiterbauelements führen.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleiterbauelement mit verbesserter dynamischer Belastbarkeit zu schaffen, das gleichzeitig eine möglichst hohe statische Sperrfähigkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 1 gelöst. Die vorliegende Erfindung schafft ein Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit einem pn-Übergang aufweist, mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite, mit einem ersten Kontakt auf der ersten Seite und einem zweiten Kontakt auf der zweiten Seite, mit einem Randabschluss, der an einem ersten Bereich der ersten Seite angeordnet ist, der sich von einem Rand der ersten Seite mindestens bis zu einem pn-Übergang erstreckt, und wobei ein zweiter Bereich einen restlichen Bereich der ersten Seite umfasst, mit einem Feldstopp, der als Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, und mit einer Mehrzahl von Halbleiterinseln, die als Halbleiterbereiche eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp inversen, zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Feldstopp derart angeordnet sind, dass dieselben nur unter dem zweiten Bereich angeordnet sind.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine dynamische Belastung eines Randbereichs oder eines Randabschlusses eines Halbleiterbauelements dadurch reduziert werden kann, dass der Stromfluss mittels entsprechender Maßnahmen im Wesentlichen in einem Innenbereich des Halbleiterbauelements erfolgt. Dies wird dadurch erreicht, dass die räumliche Anordnung der Halbleiterinseln und die Dimensionierung der Halbleiterinseln, das heißt, im Wesentlichen ihre Dotierung, Breite und Tiefe, so gewählt wird, dass die Durchbruchspannung in einem Innenbereich des Bauelements bzw. unter dem zweiten Bereich so abgesenkt wird, dass der Durchbruch im Betrieb des Halbleiterbauelements sicher in einem Innenbereich und nicht in einem Randbereich des Bauelements bzw. unter dem ersten Bereich stattfindet. Dies ermöglicht eine sog. „self clamping"-Funktion bzw. Selbstbegrenzungsfunktion, die zu einer höheren dynamischen Belastbarkeit des Halbleiterbauelements führt. Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht also darin, dass die Halbleiterinseln nur unter dem zweiten Bereich bzw. in dem Innenbereich, nicht aber unter dem ersten Bereich bzw. in einem Randbereich des Bauelements angeordnet sind. Damit wird der Stromfluss unter einem ersten Bereich, insbesondere aber an den Rändern bzw. Sägekanten selbst, reduziert und somit auch die Gefahr einer vorzeitigen Zerstörung des Halbleiterbauelements erheblich reduziert. Gleichzeitig wird dadurch die statische Sperrspannung des Halbleiterbauelements gegenüber einem Halbleiterbauelement gemäß der unveröffentlichten DE 103 61 136.3 erhöht.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Absenkung der Durchbruchspannung unter dem zweiten Bereich durch Maßnahmen bewirkt wird, die sich nur in der Tiefe des Halbleiterbauelements und nicht in der Nähe einer Oberfläche auswirken, so dass auch eine ausreichende Langzeitstabilität dieser Funktion gegeben ist.
  • Im Gegensatz zu „leckenden" Feldstopps bei IGBT, die ebenfalls keine Belastung an Oberflächen des Halbleiterbauelements fordern, ist bei der vorliegenden Erfindung keine starke Abhängigkeit von der Grundmaterialdotierung gegeben, die üblicherweise, wie zuvor dargestellt, um bis zu +/– 15% schwanken kann, und der Einfluss einer Dicke eines beispielsweise n--Gebiets bzw. eines n--Mittelgebiets ist demgegenüber ebenfalls stark reduziert.
  • Erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente können als ersten Leitfähigkeitstyp sowohl eine n-Dotierung als auch eine p-Dotierung aufweisen, wobei dann entsprechend der zweite Leitfähigkeitstyp eine p-Dotierung bzw. n-Dotierung aufweist. Bei einem bevorzugten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist der erste Leitfähigkeitstyp eine n-Dotierung und der zweite Leitfähigkeitstyp eine p-Dotierung auf.
  • Bei bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen weist der Randabschluss eine Feldplattenstruktur auf. Dieser Feldplattenrandabschluss besteht aus mindestens einer strukturierten Isolatorschicht und mindestens einer strukturierten Feldplatte, wobei die Isolatorschicht bzw. -schichten auf dem ersten Bereich der ersten Seite und die Feldplatte bzw. Feldplatten elektrisch leitfähig und auf der Isolatorschicht bzw. den Isolatorschichten angeordnet sind. Häufig werden Feldplatten stufenförmig über mehrere Isolatorschichten geführt, so dass eine Seite der Feldplatte deutlich weiter von der Oberfläche des Halbleiters entfernt ist.
  • Ein mögliches, erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist als Diode ausgebildet, wobei die Diode einen ersten Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, der auf dem zweiten Kontakt angeordnet und mit demselben elektrisch verbunden ist, einen zweiten Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem ersten Halbleiterbereich angeordnet ist, den Feldstopp bildet und die Halbleiterinseln aufweist, einen dritten Halbleiterbereich des ersten Leitfä higkeitstyps, der auf dem zweiten Halbleiterbereich angeordnet ist, wobei der zweite Halbleiterbereich stärker dotiert ist als der dritte Halbleiterbereich und der erste Halbleiterbereich stärker dotiert ist als der zweite Halbleiterbereich, einen vierten Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, der an den dritten Halbleiterbereich angrenzt und mit dem ersten Kontakt elektrisch verbunden ist.
  • Ein weiteres mögliches, erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist als IGBT ausgebildet, wobei der IGBT einen dritten Kontakt an der ersten Seite des Halbleiterkörpers aufweist, einen ersten Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, der auf dem zweiten Kontakt angeordnet und mit demselben elektrisch verbunden ist, einen zweiten Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem ersten Halbleiterbereich angeordnet ist, den Feldstopp bildet und die Halbleiterinseln aufweist, einen dritten Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem zweiten Halbleiterbereich angeordnet ist, einen vierten Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, der an den dritten Halbleiterbereich angrenzt und über einen Isolationsbereich mit dem dritten Kontakt gekoppelt ist, einen fünften Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, der an den vierten Halbleiterbereich angrenzt und mit dem ersten Kontakt elektrisch verbunden ist, wobei der zweite Halbleiterbereich stärker dotiert ist als der dritte Halbleiterbereich und der fünfte Halbleiterbereich stärker dotiert ist als der zweite Halbleiterbereich.
  • Die Halbleiterinseln sind vorzugsweise inselförmig, das heißt, als eine Mehrzahl kleinerer Bereiche, rechteckig, rund oder in anderen beliebigen Formen ausgestaltet und werden, um eine regelmäßige elektrische Feldstärkenstruktur zu erzielen, vorteilhafterweise äquidistant zueinander angeordnet. Die Halbleiterinseln sind in ihren Abmessungen vorzugsweise identisch ausgestaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungen beschränkt.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Diode;
  • 2 einen schematischen Querschnitt eines beispielhaften, erfindungsgemäßen IGBT; und
  • 3 einen schematischen Querschnitt einer möglichen Diode.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Diode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei anhand von 1 das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert wird.
    •
  • Das Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper 100 mit einem pn-Übergang PN1, mit einer ersten Seite S1, einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite S2, einen ersten Kontakt K1 auf der ersten Seite und einen zweiten Kontakt K2 auf der zweiten Seite S2, und einen Randabschluss RA auf, der auf einem ersten Bereich B1 der ersten Seite S1 angeordnet ist und der sich von einem Rand RS1 der ersten Seite S1 mindestens bis zu einem pn-Übergang PN1 des Halbleiterbauelements erstreckt, wobei ein zweiter Bereich B2 einen restlichen Bereich der ersten Seite S1 umfasst. Damit wird durch den ersten Bereich B1 ein Randbereich definiert, der das Volumen des Halbleiterkörpers 100 bezogen auf die Ausrichtung der 1 unter dem ersten Bereich B1 bzw. senkrecht zwischen dem ersten Bereich B1 und der zweiten Seite S2 umfasst und des weiteren wird durch den zweiten Bereich B2 ein Innenbereich definiert, der das Volumen des Halbleiterkörpers 100 bezogen auf die Ausrichtung der 1 unter dem zweiten Bereich B2 bzw. senkrecht zwischen dem zweiten Bereich B2 und der zweiten Seite S2 umfasst. Der Randbereich und der Innenbereich umfassen zusammen den gesamten Halbleiterkörper. Der Randabschluss RA wird durch eine Feldplatte RAF und einen zwischen der ersten Seite S1 und der Feldplatte RAF angeordneten Isolator RAI, z.B. ein Oxid, gebildet.
  • Der Halbleiterkörper 100 weist dabei eine Mehrzahl von Halbleiterbereichen eines ersten Leitfähigkeitstyps oder eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf, wobei ein erster Halbleiterbereich 110 des ersten Leitfähigkeitstyps auf dem zweiten Kontakt K2 angeordnet und mit demselben elektrisch verbunden ist, ein zweiter Halbleiterbereich 120 des ersten Leitfähigkeitstyps auf dem ersten Halbleiterbereich 110 angeordnet ist, wobei der zweite Halbleiterbereich 120 den Feldstopp bildet und Halbleiterinseln 125 des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, ein dritter Halbleiterbereich 130 des ersten Leitfähigkeitstyps auf dem zweiten Halbleiterbereich 120 angeordnet ist, wobei der zweite Halbleiterbereich 120 stärker dotiert ist als der dritte Halbleiterbereich 130 und der erste Halbleiterbereich 110 stärker dotiert ist als der zweite Halbleiterbereich 120, und ein vierter Halbleiterbereich 140 des zweiten Leitfähigkeitstyps mit dem ersten Kontakt K1 elektrisch verbunden ist, wobei der vierte Halbleiterbereich 140 an den dritten Halbleiterbereich 130 angrenzt. Entsprechend weist der Halbleiterkörper 100 einen ersten Übergang I1 zwischen dem vierten Halbleiterbereich 140 und dem dritten Halbleiterbereich 130, der in diesem Ausführungsbeispiel den pn-Übergang PN1 bildet, einen zweiten Übergang I2 zwischen dem dritten Halbleiterbereich 130 und dem zweiten Halbleiterbereich 120 und einen dritten Übergang I3 zwischen dem zweiten Halbleiterbereich 120 und dem ersten Halbleiterbereich 110 auf. Der vierte Halbleiterbereich 140 ist dabei beispielsweise wannenförmig in den dritten Halbleiterbereich 130 eingebracht. Die Halbleiterinseln 125 sind auf gleicher vertikaler Höhe angeordnet, wobei die Unterseiten der Halbleiterinseln 125 direkt an den ersten Halbleiterbereich 110 angrenzen. Seitenflächen SF verbinden die erste Seite S1 mit der zweiten Seite S2. Da die Seitenflächen SF meist durch Dicen bei dem Vereinzeln der einzelnen Halbleiterbauelemente entstehen, weisen diese Seitenflächen SF bzw. „Sägekanten" massive Kristallfehler auf.
  • Generell gilt die Faustregel, dass 1/10 der Sperrspannung einer Halbleiterdiode (in Volt gerechnet) einer Dicke der Halbleiterdiode (in μm gerechnet) entsprechen sollte. In dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel, dessen Halbleiterkörper aus vier Halbleiterbereichen besteht, ist analog der Abstand w zwischen den Halbleiterinseln 125 und dem vierten Halbleiterbereich 140 beispielsweise für ein Halbleiterbauelement mit einer Sperrspannung größer 2 kV vorzugsweise größer als 200 μm.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Diode gemäß 1 beträgt eine Dicke b des ersten Halbleiterbereichs 110 beispielsweise 0,2 bis 12 μm, die Dicke a der Halbleiterinseln 125 3 bis 20 μm, die Breite d der Halbleiterinseln 125 jeweils 2 bis 200 μm, der Abstand c zwischen den Halbleiterinseln 125 und dem zweiten Übergang I2 10 bis 25 μm, der Abstand e zwischen den einzelnen Halbleiterinseln 125 5 bis 200 μm und der Abstand w zwischen den Halbleiterinseln 125 und dem vierten Halbleiterbereich 140 mehr als 200 μm, vorzugsweise zwischen 200 μm und 800 μm.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist der erste Leitfähigkeitstyp eine n-Dotierung und der zweite Leitfähigkeitstyp eine p-Dotierung auf, damit bildet der erste Kontakt K1 den Anodenkontakt und der zweite Kontakt K2 den Kathodenkontakt. Des Weiteren ist dann beispielsweise der erste Halbleiterbereich 110 n+-dotiert, der zweite Halbleiterbereich 120 n-dotiert, der dritte Halbleiterbereich 130 n--dotiert und der vierte Halbleiterbereich 140 sowie die Halbleiterinseln 125 p-dotiert, wobei die p-Dotierung der Halbleiterinseln 125 maximal in einem Bereich von 1E15 bis 5E15 cm-3 liegt und die n-Dotierung des zweiten Halbleiterbereichs 120 bzw. des Feldstopps in einem Bereich von 5E14 bis 5E15 cm-3 liegt.
  • Die beispielhafte Diode ist damit, wie zuvor anhand der Faustregel beschrieben, auf eine Spannung von 2.000 Volt bis 8.000 Volt ausgelegt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Wertebereiche beschränkt. Die oben genannten Werte hängen wie bereits zuvor erläutert wurde, von der gewünschten Spannungsklasse des Halbleiterbauteils ab, siehe Faustformel, und sind daher nicht als Einschränkung, sondern lediglich als Beispiel zu verstehen.
  • Bei geeigneter Dimensionierung des Anteils der Flächen der Halbleiterinseln 125, die im weiteren als Halbleiterinselfläche bezeichnet wird, der Größe der einzelnen Halbleiterinseln 125 und ihrer Abstände voneinander bzw. von dem zweiten Kontakt K2 kann eine Überschwemmung des Halbleiterbau elements mit Ladungsträgern auch örtlich unterschiedlich moduliert werden: Je größer der Anteil an Halbleiterinselfläche ist, desto geringer ist die Ladungsträgerdichte der Überschwemmungsladung im vorgelagerten dritten Halbleiterbereich. Dadurch können die Durchbruch- bzw. Durchlassspannung und die Schaltverluste gezielt reduziert werden.
  • Der zweite Halbleiterbereich 120 dient als Feldstopp bzw. Puffer für die Ausdehnung der Raumladungszone durch welchen die Stufe im Sperrstromverlauf zu höheren Spannungen verschoben werden kann. Des Weiteren setzt der zweite Halbleiterbereich bzw. der Feldstopp außerdem die Sperrfähigkeit des zweiten Übergangs I2 herab, so dass das Einschalten der Diode erleichtert wird. Erfindungsgemäß reichen die in den zweiten Halbleiterbereich 120 integrierten Halbleiterinseln 125 nicht bis an den zweiten Kontakt K2. Eine solche Ausgestaltung würde zu einem sehr späten und abrupten Einsetzen der Injektion von beispielsweise Löchern bei p-dotierten Halbleiterinseln führen. Eine Dimensionierung der Dotiergebiete, um gleichermaßen softes Schaltverhalten bzw. die Verhinderung von hohen Feldstärken am dritten Übergang I3 zu bewirken, wäre nicht möglich. Die geforderten Dynamik-Eigenschaften hinsichtlich der unterschiedlichen im praktischen Betrieb vorkommenden Vorstromdichten und Zwischenkreisspannungen könnte nicht erfüllt werden, denn entweder besitzt die Diode bei kleinen Stromdichten und/oder hohen Spannungen nicht mehr genügend Sperrfähigkeit, oder bei hohen Stromdichten und/oder niedrigen Spannung erfolgt keine Injektion von Löchern mehr.
  • 2 zeigt einen beispielhaften, schematischen Querschnitt des vorgeschlagenen Prinzips bzw. der Erfindung an einem Beispiel eines IGBT, wobei der erfindungsgemäße IGBT einen Halbleiterkörper 200 mit einem pn-Übergang PN1', mit einer ersten Seite S1' und einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite S2', einem ersten Kontakt K1' auf der ersten Seite S1' und einem zweiten Kontakt K2' auf der zweiten Seite S2', einem Randabschluss RA', der an einem ersten Bereich B1' der ersten Seite S1' angeordnet ist, der sich von einem Rand RS1' der ersten Seite S1' mindestens bis zu dem pn-Übergang PN1' erstreckt, wobei ein zweiter Bereich B2' einen restlichen Bereich der ersten Seite S1' umfasst. Damit wird durch den ersten Bereich B1' ein Randbereich definiert, der das Volumen des Halbleiterkörpers 200 bezogen auf die Ausrichtung der 2 unter dem ersten Bereich B1' bzw. senkrecht zwischen dem ersten Bereich B1' und der zweiten Seite S2' umfasst und des weiteren wird durch den zweiten Bereich B2' einen Innenbereich definiert, der das Volumen des Halbleiterkörpers 200 bezogen auf die Ausrichtung der 2 unter dem zweiten Bereich B2' bzw. senkrecht zwischen dem zweiten Bereich B2' und der zweiten Seite S2' umfasst. Der Randbereich und der Innenbereich umfassen zusammen den gesamten Halbleiterkörper. Der Randabschluss RA' wird durch eine Feldplatte RAF' und einem zwischen der ersten Seite S1' und der Feldplatte RAF' angeordneten Isolator RAI', z.B. ein Oxid, gebildet.
  • Der Halbleiterkörper 200 weist dabei eine Mehrzahl von Halbleiterbereichen eines ersten Leitfähigkeitstyps oder eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf, wobei der erste Halbleiterbereich 210 des zweiten Leitfähigkeitstyps auf dem zweiten Kontakt K2' angeordnet und mit demselben elektrisch verbunden ist, ein zweiter Halbleiterbereich 220 des ersten Leitfähigkeitstyps, auf dem ersten Halbleiterbereich 210 angeordnet ist, wobei der zweite Halbleiterbereich 220 den Feldstopp bildet und Halbleiterinseln 225 des zweiten Leit fähigkeitstyps aufweist, ein dritter Halbleiterbereich 230 des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem zweiten Halbleiterbereich 220 angeordnet ist, ein vierter Halbleiterbereich 240 des zweiten Leitfähigkeitstyps an den dritten Halbleiterbereich 230 angrenzt und über einen Isolationsbereich 260 mit einem dritten Kontakt K3', der an der ersten Seite S1' des Halbleiterkörpers 200 angeordnet ist, gekoppelt ist, ein fünfter Halbleiterbereich 250 des ersten Leitfähigkeitstyps an den vierten Halbleiterbereich 240 angrenzt und mit dem ersten Kontakt K1' elektrisch verbunden ist. Dabei sind die Halbleiterinseln 225 vollständig in den zweiten Halbleiterbereich 220, also den Feldstopp, eingebettet und der zweite Halbleiterbereich 220 ist stärker dotiert als der dritte Halbleiterbereich 230 und der fünfte Halbleiterbereich 250 ist stärker dotiert als der zweite Halbleiterbereich 220. Des Weiteren weist das erfindungsgemäße IGBT einen ersten Übergang I1' zwischen dem vierten Halbleiterbereich 240 und dem dritten Halbleiterbereich 230 auf, einen zweiten Übergang I2' zwischen dem dritten Halbleiterbereich 230 und dem zweiten Halbleiterbereich 220, einen dritten Übergang I3' zwischen dem zweiten Halbleiterbereich 220 und dem ersten Halbleiterbereich 210 sowie einen vierten Übergang I4' zwischen dem fünften Halbleiterbereich 250 und dem vierten Halbleiterbereich 240, wobei der erste Übergang I1' den pn-Übergang PN1' bildet. Seitenflächen SF' verbinden die erste Seite S1' mit der zweiten Seite S2'. Da die Seitenflächen SF' meist durch Dicen bei dem Vereinzeln der einzelnen Halbleiterbauelemente entstehen, weisen diese Seitenflächen SF bzw. „Sägekanten" massive Kristallfehler auf. Der Isolationsbereich 260 weist beispielsweise ein Oxid auf.
  • Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt die Dicke a' der Halbleiterinseln 225 in einem Bereich von 0,5 bis 20 μm, die Breite d' der Halbleiterinseln 225 in einem Bereich von 2 bis 200 μm, der Abstand e' der einzelnen Halbleiterinseln 225 zueinander in einem Bereich von 5 bis 200 μm, der Abstand c' zwischen dem dritten Halbleiterbereich 230 und den Halbleiterinseln 225 in einem Bereich von 10 bis 25 μm und der Abstand w' zwischen dem vierten Halbleiterbereich 240 und den Halbleiterinseln 225 in einem Bereich über 200 μm.
  • Bei einem erfindungsgemäßen IGBT kann der erste Leitfähigkeitstyp sowohl eine n-Dotierung als auch eine p-Dotierung aufweisen, wobei dann entsprechend der zweite Leitfähigkeitstyp eine p-Dotierung bzw. n-Dotierung aufweist. Vorzugsweise weist der erste Leitfähigkeitstyp eine n-Dotierung und der zweite Leitfähigkeitstyp eine p-Dotierung auf. Damit bildet der erste Kontakt K1' den Emitter, der zweite Kontakt K2' den Kollektor, der dritte Kontakt K3 das Gate und der erste Halbleiterbereich 210 den p-Rückseitenemitter, wobei dann beispielsweise der erste Halbleiterbereich 210 eine p-Dotierung, der zweite Halbleiterbereich 220 bzw. der Feldstopp eine n-Dotierung, die Halbleiterinseln 225 eine p-Dotierung, der dritte Halbleiterbereich 230 eine n-Dotierung, der vierte Halbleiterbereich 240 eine p-Dotierung und der fünfte Halbleiterbereich 250 eine n+-Dotierung aufweisen. Dabei liegt eine p-Dotierung der Halbleiterinseln 225 maximal in einem Bereich von 1E15 bis 1E18 cm-3, vorzugsweise in einem Bereich von 1E16 bis 5E16 cm-3, während eine n-Dotierung des Feldstopps bzw. des zweiten Halbleiterbereichs 220 in vertikaler Richtung eine integrale Dotierstoffdosis in einem Bereich von 2E11 bis 2E12 cm-2 besitzt. Des Weiteren kann ein Anteil des vierten Halbleiterbereichs 240, der mit dem ersten Kontakt verbunden ist, und in 2 zwischen zwei auf die Seite S1' bezogen senkrechten Elektroden 270 des dritten Kontakts K3' angeordnet ist, in einen ersten Teilbereich 241, einen zweiten Teilbereich 242 und einen dritten Teilbereich 243 unterteilt sein, wobei der erste Teilbereich 241, der mit dem ersten Kontakt K1' direkt verbunden ist, eine höhere Dotierung aufweist, als der zweite Teilbereich 242. Der dritte Teilbereich 243 kann ohne direkte elektrische Verbindung zum Kontakt K1' oder zu den Teilbereichen 241 und 242 ausgeführt werden. Bei der zuvor beschriebenen p-Dotierung des vierten Halbleiterbereichs 240 weist der erste Teilbereich 241 damit beispielsweise eine p+-Dotierung, der zweite Teilbereich 242 eine p-Dotierung und der dritte Teilbereich 243 eine p- oder p+-Dotierung auf.
  • Obwohl 2 einen IGBT in Trenchstruktur zeigt, kann ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement auch in planarer Struktur, das heißt als planarer IGBT ausgeführt sein.
  • Ein Halbleiterbauelement kann beispielsweise technologisch so aufgebaut werden, dass ein aktives Gebiet in ein anderes bzw. in ein Halbleitersubstrat wannenförmig eingebracht wird, wie dies beispielhaft in 1 dargestellt ist, bei dem der vierte Halbleiterbereich 140 wannenförmig in dem dritten Halbleiterbereich 130 angeordnet ist. Je nach Sperrspannung treten an den Übergängen der aktiven Gebiete, in 1 beispielsweise Übergang I1, hohe Feldstärken auf, die schon bei niedrigen Spannungen zu einem unerwünschten Durchbruch des Bauelements führen können. Dabei entstehen an den Kanten und Krümmungen besonders hohe Feldstärken, wie dies aus der Hochspannungstechnik als Kanten- oder Spitzeneffekt bekannt ist. Des Weiteren können die während eines Schaltvorgangs fließenden Ladungsträger (Löcher) die Feldverteilung erheblich beeinflussen, da sie wie eine effektive Erhöhung der Grunddotierung wirken. Die Sperrfähigkeit im Sili zium kann dann kurzzeitig niedriger als im stationären Fall liegen, also dem praktisch stromlosen Fall, so dass die Robustheit des Halbleiterelements durch die Randstruktur begrenzt wird bzw. dessen Grenzbelastbarkeit dadurch bestimmt wird. Inner- und außerhalb des Siliziums können dabei auch deutlich höhere Feldstärken als im stationären Fall auftreten (dynamische Effekte), so dass Durchbrüche oder Langzeitschädigungen von Oxid oder Passivierungsschichten wie Imid möglich sind.
  • Die Strukturen, die auf der ersten Seite S1 angeordnet sind, um im statischen Sperrbetrieb eine möglichst hohe Durchbruchspannung zu erreichen, bezeichnet man bei Halbleiterbauelementen als Randabschluss. Ein wichtiges Optimierungskriterium für Randabschlüsse ist ein robustes Verhalten bei der hohen dynamischen Belastung bei Schaltvorgängen.
  • Eine Möglichkeit der Realisierung ist dabei der Einsatz von Feldplatten, wie sie den vorhergehenden Ausführungsbeispielen zugrunde lagen. Diese liegen beispielsweise bezogen auf 1 oberhalb des Halbleiterkörpers bzw. der ersten Seite S1 auf einer Oxidschicht und sind mit dem aktiven Gebiet, beispielsweise dem Kontakt K1 elektrisch verbunden. Der Kanteneffekt des sperrenden pn-Übergangs I1 wird durch die Feldplatte wirkungsvoll vermindert und die Orte höchster elektrischer Feldstärke aus dem Halbleitergebiet in die Oxidschicht verlagert, welche einer wesentlich höheren Feldbelastung standhält. Die Feldplatte kann beispielsweise mit dem Gate, der Source oder dem Emitter elektrisch verbunden werden. Dabei werden Randabschlüsse nicht nur bei Wannen-Strukturen aktiver Gebiete, sondern auch an Sägekanten, die beispielsweise durch Dicing entstehen, eingesetzt, um zu vermeiden, dass Raumladungszonen bis an diese Sägekanten reichen, oder um parasitäre Effekte auszuschalten. Dabei ist es wichtig, dass die Randabschlüsse eine hohe Durchbruchspannung aufweisen, die möglichst nahe an der oder höher als die Durchbruchspannung im Zellenfeld bzw. Innenbereich ist, und eine geringe Empfindlichkeit gegen Oberflächenladungen aufweisen, damit eine Langzeitstabilität gewährleistet ist.
  • Obwohl in den Ausführungsbeispielen von einem Randabschluss mit Feldplattenstruktur ausgegangen wurde, können erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente auch andere Randabschlussstrukturen aufweisen, von denen im Weiteren einige beispielhaft kurz erläutert werden. Bei der sog. „Metallring-Struktur" wird ähnlich wie bei der Feldplattenstruktur ein Leiter oberhalb des ersten Bereichs angeordnet, wobei ein Isolator den Metallring von dem ersten Bereich elektrisch trennt. Im Gegensatz zu der Feldplattenstruktur ist der Metallring der Metallring-Struktur jedoch nicht mit einem aktiven Gebiet elektrisch verbunden. Der Ansatz der Struktur mit „Widerstandsschicht" beruht darauf, dass übertragen auf 1, der vierte Halbleiterbereich 140 über eine Widerstandsschicht, die über dem ersten Bereich B1 angeordnet und von diesem durch einen Isolator elektrisch getrennt ist, mit einem zusätzlichen Halbleiterbereich, der an dem Rand RS1 angeordnet ist und den gleichen Leitfähigkeitstyp wie der dritte Halbleiterbereich 130 aufweist, jedoch stark dotiert ist, verbunden ist. Die „Feldring-Struktur" weist zusätzliche Halbleiterbereiche an dem ersten Bereich auf, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie der vierte Halbleiterbereich 140 und auch eine vergleichbare Dotierungsstärke aufweisen. Die „JTE-Struktur" (JTE = Junction Termination Extension; Übergangsabschlussverlängerung) weist an einem ersten Bereich B1 einen zusätzlichen Halbleiterbereich auf, der den selben Leitfähigkeitstyp wie der vierte Halbleiterbereich 140 aufweist, jedoch mit einer schwächeren Dotierung, wobei dieser zusätzliche Halbleiterbereich über den ersten pn-Übergang hinausreicht. Die „RESURF-Struktur" weist zwei zusätzliche Halbleiterbereiche auf, wobei der erste zusätzliche Halbleiterbereich an dem Seitenrand RS1 angeordnet ist, denselben Leitungsträgertyp wie der dritte Halbleiterbereich 130, jedoch mit einer stärkeren Dotierung aufweist, und wobei der zweite zusätzliche Halbleiterbereich in dem ersten Bereich B1 an den ersten zusätzlichen Halbleiterbereich angrenzt, den vierten Halbleiterbereich 140 wannenförmig umschließt, denselben Leitfähigkeitstyp wie der vierte Halbleiterbereich 140 aufweist, jedoch schwächer dotiert ist. Alle genannten Grundstrukturen für einen Randabschluss bewirken, dass die Raumladungszone erweitert wird und damit einem Durchbruch an dem Abschluss des Übergangs an der Oberfläche des Halbleiters vorgebeugt wird. Darüber hinaus sind auch Kombinationen von Feldplatten mit Feldringen bekannt und möglich.
  • Wie aus den beispielhaft aufgezeigten alternativen Randabschlussstrukturen ersichtlich ist, kann der Randabschluss RA daher derart ausgebildet sein, dass er beispielsweise in dem ersten Bereich B1 angeordnet ist. Er muss aber nicht den gesamten ersten Bereich B1 abdecken. Ferner kann er Unterbrechungen aufweisen und/oder sich über einen pn-Übergang erstrecken. Jedenfalls aber ist der Randabschluss (RA, RA') auch an einem Bereich angeordnet, der sich von dem Rand (RS1, RS1') bis zum dem ersten pn-Übergang (PN1, PN1') erstreckt, der an die Seite angrenzt, an der der Randabschluss (RA, RA') gebildet ist, siehe 1 und 2.
  • Zusammenfassend kann daher gesagt werden, dass beim Abschalten von IGBTs bzw. dem Abkommutieren von Dioden die Spannung am Halbleiterbauelement aufgrund der stets vorhandenen Streuinduktivitäten stärker als die Zwischenkreisspannung ansteigt. Bei Halbleiterbauelementen, deren erster Leitfähigkeitstyp beispielsweise eine n-Dotierung aufweist, reduzieren die fließenden Löcher in der Raumladungszone gleichzeitig die dynamische Sperrfähigkeit des Bauelements. Dies hat zur Folge, dass die maximale elektrische Feldstärke im Halbleiterbauelement steigt und vermehrt Avalanche auftritt. Wird das Halbleiterbauelement ohne Stromfluss in den Avalanche getrieben, so treten die nachfolgend beschriebenen Effekte ebenfalls zutage. Bei starker Avalanche-Generation nimmt jedoch die maximale Spannung ab, die vom Bauelement gesperrt werden kann. Grund dafür ist der Anteil der Elektronen in der Avalanche-Generation in den Hochfeldbereichen nahe am sperrenden pn-Übergang. Die durch die hier generierten Ladungsträger verursachte Feldverbiegung reduziert das Integral Edx (Integral der Feldstärke E über die Dicke) und somit die Sperrfähigkeit des Halbleiterbauelements. Wird nun außerdem ein rückseitiger nn+-Übergang, z.B. an einem Feldstopp eines ersten Leitfähigkeitstyps, der eine n-Dotierung aufweist, freigelegt, weil die Überschwemmungsladung hinreichend ausgeräumt ist, so führt eine hohe Elektronenstromdichte in diesem Bereich ebenfalls zu einer Feldspitze.
  • Diese nn+-Übergänge besitzen keinen Randabschluss, weshalb ein Auftreten des Feldes bis zur Sägekante des Chips mit ihren massiven Kristallfehlern reichen kann. Wenn zudem die Feldspitze eine Höhe erreicht, dass auch an diesem nn+-Übergang Avalanche auftritt, so wird das Bauelement mit ho her Wahrscheinlichkeit zerstört, weil die Feldstärkeverteilung und somit die Sperrfähigkeit zusammenbricht.
  • Bisher konnten diese Betriebsfälle nur vermieden werden, indem die Zwischenkreisspannung bzw. Streuinduktivität oder die Schaltgeschwindigkeiten und somit die Avalanche-Belastung reduziert oder, im Fall der Dioden, die Kommutierungsgeschwindigkeit stärker begrenzt wurden. Diese Maßnahmen reduzierten in jedem Fall die Ausnutzbarkeit der Bauteile und waren somit nachteilig. So wird üblicherweise beispielsweise bei einem Halbleiterbauelement mit einer Nennsperrspannung von 1200 Volt die Zwischenkreisspannung auf 600 bis 800 V begrenzt, um eine Reserve von 400 bis 600 Volt für Überspannungsspitzen beim Schalten aufgrund der zuvor beschriebenen Problematik zu behalten.
  • Die vorliegende Erfindung sieht daher vor, in einem aktiven Gebiet auf der Rückseite bzw. der zweiten Seite S2, S2', jedoch von dem zweiten Kontakt K2, K2' beabstandet, in einem beispielsweise n-dotierten Feldstopp p-dotierte Halbleiterinseln 125, 225 einzufügen, die in bestimmten Betriebszuständen Ladungsträger emittieren und somit den oben beschriebenen Effekten entgegenwirken. Im Unterschied zu der nicht-veröffentlichten Patentanmeldung DE 10361136.3 bleiben die Halbleiterinseln 125 unter dem Randabschluss RA, RA' und dem Bereich der Gateanschlusskontaktierung bei IGBTs, die auch als Gatepad bezeichnet wird, ausgespart, da die Halbleiterinseln 125, 225 mit einer Reduktion der statischen Sperrspannung einhergehen. Die Gateanschlusskontaktierungen bzw. gemäß 2 allgemeiner formuliert die Anschlusskontaktierungen der Elektroden 270, die mit dem dritten Kontakt K3' elektrisch verbunden sind, sind in 2 nicht eingezeichnet. Dadurch wird die resultierende Sperrfähigkeit des Bauelements weniger beeinflusst bzw. weniger reduziert. Zudem ist es unerwünscht, wie zuvor beschrieben, hohe Trägerdichten im Rand eines Halbleiterbauelements vorzufinden, weil die Randabschlüsse auf die statischen Dotierungen dimensioniert sind und die zusätzlichen Träger zu höheren Belastungen führen würden. Daher wird die räumliche Anordnung und die Dimensionierung der Halbleiterinseln 125, 225, das heißt, ihre Dotierung, Breite und Tiefe, so gewählt, dass die Durchbruchspannung in dem Innenbereich des Bauelements bzw. unter dem zweiten Bereich B2, B2' so abgesenkt wird, dass der Durchbruch im Betrieb des Halbleiterbauelements sicher in diesem großflächigen Innenbereich bzw. unter dem zweiten Bereich B2, B2' und nicht in einem Randbereich des Halbleiterbauelements bzw. unter dem ersten Bereich B1, B1' stattfindet. Dies ermöglicht eine sog. „self-clamping"-Funktion, das heißt, das Halbleiterbauelement begrenzt die Spannung selbsttätig auf erlaubte Werte, was wiederum zu einer höheren dynamischen Belastbarkeit des Bauelements führt. Des Weiteren wird damit der Einsatz der erfindungsgemäßen Bauelemente wesentlich erleichtert, da der Aufwand für entsprechende Schutzschaltungen, wie sie im Stand der Technik notwendig sind, erheblich reduziert werden kann.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist damit eine Absenkung der dynamischen Sperrfähigkeit bzw. Sperrspannung in einem Zentralbereich bzw. unter dem zweiten Bereich B2 des Halbleiterbauelements, wodurch in Kombination mit den in der oben erwähnten Erfindungsmeldung beschriebenen Maßnahmen mittels einer Designmaßnahme eine sog. „self-clamping"-Funktion ermöglicht wird.
    • 1
    Halbleiterdiode
    2
    Anode
    3
    Kathode
    4
    erste Halbleiterschicht
    5
    zweite Halbleiterschicht
    6
    dritte Halbleiterschicht
    7
    Halbleitervolumen
    81 bis 84
    Halbleiterzonen
    J1
    Übergang
    J2
    Übergang
    J3
    Übergang
    100
    Halbleiterkörper
    PN1
    pn-Übergang
    S1
    erste Seite
    S2
    zweite Seite
    K1
    erster Kontakt
    K2
    zweiter Kontakt
    RA
    Randabschluss
    B1
    erster Bereich
    B2
    zweiter Bereich
    110
    erster Halbleiterbereich
    120
    zweiter Halbleiterbereich
    130
    dritter Halbleiterbereich
    140
    vierter Halbleiterbereich
    RS1
    Rand der ersten Seite
    RAF
    Feldplatte
    RAI
    Isolator des Randabschlusses
    I1
    erster Übergang zwischen dem vierten
    Halbleiterbereich und dem dritten Halbleiterbe
    reich
    I2
    zweiter Übergang zwischen dem dritten
    Halbleiterbereich und dem zweiten Halbleiterbe
    reich
    I3
    dritter Übergang zwischen dem zweiten
    Halbleiterbereich und dem ersten Halbleiterbereich
    SF
    Seitenfläche
    a
    Dicke der Halbleiterinseln
    b
    Dicke des ersten Halbleiterbereichs
    c
    Abstand der Halbleiterinseln zu 2.tem Übergang
    d
    Breite der Halbleiterinseln
    e
    Abstand zwischen den Halbleiterinseln
    w
    Abstand zwischen den Halbleiterinseln und dem
    vierten Halbleiterbereich
    200
    Halbleiterkörper
    PN1'
    pn-Übergang
    S1'
    erste Seite
    S2'
    zweite Seite
    K1'
    erster Kontakt
    K2'
    zweiter Kontakt
    RA
    Randabschluss
    RS1'
    Rand der ersten Seite
    B1'
    erster Bereich
    B2'
    zweiter Bereich
    B3'
    dritter Bereich
    B4'
    vierter Bereich
    210
    erster Halbleiterbereich
    220
    zweiter Halbleiterbereich
    230
    dritter Halbleiterbereich
    240
    vierter Halbleiterbereich
    250
    fünfter Halbleiterbereich
    260
    Isolationsbereich
    SF'
    Seitenfläche
    241
    erster Teilbereich
    242
    zweiter Teilbereich
    243
    dritter Teilbereich
    RAF'
    Feldplatte
    RAI'
    Isolator des Randabschlusses
    270
    Elektrode
    a'
    Dicke der Halbleiterinseln
    c'
    Abstand der Halbleiterinseln zum zweiten Übergang
    d'
    Breite der Halbleiterinseln
    e'
    Abstand zwischen den Halbleiterinseln
    w'
    Abstand zwischen den Halbleiterinseln und
    dem vierten Halbleiterbereich
    I1'
    erster Übergang zwischen dem vierten Halbleiterbe
    reich und dem dritten Halbleiterbereich
    I2'
    zweiter Übergang zwischen dem dritten Halbleiter
    bereich und dem zweiten Halbleiterbereich
    I3'
    dritter Übergang zwischen dem zweiten Halbleiter
    bereich und dem ersten Halbleiterbereich
    I4'
    vierter Übergang zwischen dem fünften Halbleiter
    bereich und dem vierten Halbleiterbereich

Claims (22)

  1. Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper (100, 200) mit einem pn-Übergang (PN1, PN1') aufweist, mit einer ersten Seite (S1, S1') und einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite (S2, S2'), einem ersten Kontakt (K1, K1') auf der ersten Seite und einem zweiten Kontakt (K2, K2') auf der zweiten Seite, mit folgenden Merkmalen: einem Randabschluss (RA, RA'), der an einem ersten Bereich (B1, B1') der ersten Seite (S1, S1') angeordnet ist, der sich von einem Rand (RS, RS') der ersten Seite (S1, S1') mindestens bis zu einem pn-Übergang (PN1, PN1') erstreckt, und wobei ein zweiter Bereich (B2, B2') einen restlichen Bereich der ersten Seite (S1, S1') umfasst; einem Feldstopp, der als Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist; und einer Mehrzahl von Halbleiterinseln (125, 225), die als Halbleiterbereiche eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp inversen, zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Feldstopp derart angeordnet sind, dass dieselben nur unter dem zweiten Bereich (B2, B2') angeordnet sind.
  2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Leitfähigkeitstyp eine n-Dotierung und der zweite Leitfähigkeitstyp eine p-Dotierung aufweist.
  3. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Randabschluss (RA, RA') mindestens eine strukturierte Isolatorschicht (RAI, RAI') und mindestens eine strukturierte Feldplatte (RAF, RAF') aufweist, wobei die Isolatorschicht (RAI, RAI') bzw. die Isolatorschichten auf dem ersten Bereich (B1, B1') der ersten Seite (S1, S1') angeordnet und die Feldplatte (RAF, RAF') bzw. Feldplatten elektrisch leitfähig und auf der Isolatorschicht (RAI, RAI') bzw. den Isolatorschichten angeordnet sind.
  4. Halbleiterbauelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das als Diode ausgebildet ist, mit folgenden Merkmalen: einem ersten Halbleiterbereich (110) des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem zweiten Kontakt (K2) angeordnet und mit demselben elektrisch verbunden ist; einem zweiten Halbleiterbereich (120) des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem ersten Halbleiterbereich (110) angeordnet ist, den Feldstopp bildet und die Halbleiterinseln (125) aufweist; einem dritten Halbleiterbereich (130) des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem zweiten Halbleiterbereich (120) angeordnet ist; wobei der zweite Halbleiterbereich (120) stärker dotiert ist als der dritte Halbleiterbereich (130) und der erste Halbleiterbereich (110) stärker als der zweite Halbleiterbereich (120) dotiert ist; und einem vierten Halbleiterbereich (140) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der an den dritten Halbleiterbe reich (130) angrenzt und mit dem ersten Kontakt (K1) elektrisch verbunden ist.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der erste Halbleiterbereich (110) n+-dotiert, der zweite Halbleiterbereich (120) n-dotiert, der dritte Halbleiterbereich (130) n-dotiert, und der vierte Halbleiterbereich (140) und die Halbleiterinseln (125) p-dotiert sind.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Dicke a der Halbleiterinseln 125 in einem Bereich von 3 μm bis 20 μm liegt.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Dicke b des ersten Halbleiterbereichs (110) in einem Bereich von 0,2 μm bis 12 μm liegt.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine p-Dotierung der Halbleiterinseln (125) maximal in einem Bereich von 1E15 bis 5E15 cm-3 liegt.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine n-Dotierung des Feldstopps in einem Bereich von 5E14 bis 5E15 cm-3 liegt.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das als IGBT (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet ist, mit folgenden Merkmalen: einem dritten Kontakt (K3') an der ersten Seite (S1') des Halbleiterkörpers (200); einem ersten Halbleiterbereich (210) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der auf dem zweiten Kontakt (K2') angeordnet und mit demselben elektrisch verbunden ist; einem zweiten Halbleiterbereich (220) des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem ersten Halbleiterbereich (210) angeordnet ist, den Feldstopp bildet und die Halbleiterinseln (225) aufweist; einem dritten Halbleiterbereich (230) des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem zweiten Halbleiterbereich (220) angeordnet ist; einem vierten Halbleiterbereich (240) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der an den dritten Halbleiterbereich (230) angrenzt und über einen Isolationsbereich (260) mit dem dritten Kontakt (K3') gekoppelt ist; einem fünften Halbleiterbereich (250) des ersten Leitfähigkeitstyps, der an den vierten Halbleiterbereich (240) angrenzt und mit dem ersten Kontakt (K1') elektrisch verbunden ist; und wobei der zweite Halbleiterbereich (220) stärker dotiert ist als der dritte Halbleiterbereich (230) und der fünfte Halbleiterbereich (250) stärker dotiert ist als der zweite Halbleiterbereich (220).
  11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 10, wobei eine oder eine Mehrzahl von Anschlusskontaktierungen einer oder einer Mehrzahl von Elektroden (270), die auf der ersten Seite angeordnet und mit einem dritten Kontakt (K3') elektrisch verbunden sind, einen dritten Bereich (B3') der ersten Seite (S1') definieren, und ein vierter Bereich (B4') der ersten Seite (S1') einen um den dritten Bereich (B3') reduzierten zweiten Bereich (B2') umfasst und die Halbleiterinseln (225) nur unter dem vierten Bereich (B4') angeordnet sind.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 10 oder 11, bei dem der vierte Halbleiterbereich (240) einen ersten Teilbereich (241) und einen zweiten Teilbereich (242) aufweist, wobei der erste Teilbereich (241) mit dem ersten Kontakt (K1') direkt elektrisch verbunden ist und eine höhere Dotierung als der zweite Teilbereich (242) aufweist.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 10 bis 12, bei dem der vierte Halbleiterbereich (240) einen dritten Teilbereich (243) aufweist, der keine elektrische Verbindung zu dem ersten Kontakt (K1') aufweist.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder 10 bis 13, das als Trench-IGBT mit vertikalen Elektroden (270) für den dritten Kontakt (K3') ausgeführt ist.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 10 bis 14, bei dem der erste Halbleiterbereich (210) p-dotiert, der zweite Halbleiterbereich (220) n-dotiert, die Halbleiterinseln (225) p-dotiert, der dritte Halbleiterbereich (230) n--dotiert, der vierte Halbleiterbereich (240) p-dotiert und der fünfte Halbleiterbereich n+-dotiert sind, wobei der erste mögli che Teilbereich (241) des vierten Halbleiterbereichs (240) p+-dotiert ist, der mögliche zweite Teilbereich (242) p-dotiert und der mögliche dritte Teilbereich (243) p- oder p+-dotiert ist.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder 10 bis 15, bei dem eine Dicke a' der Halbleiterinseln 225 in einem Bereich von 0,5 μm bis 20 μm liegt.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 10 bis 16, bei dem eine p-Dotierung der Halbleiterinseln (225) maximal in einem Bereich von 1E15 bis 1E18 cm-3, vorzugsweise in einem Bereich von 1E16 bis 5E16 cm-3 liegt.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 10 bis 17, bei dem eine n-Dotierung des Feldstopps mit einer in vertikaler Richtung integralen Dotierstoffdosis in einem Bereich von 2E11 bis 2E12 cm–2 vorliegt.
  19. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der Abstand c, c' zwischen den Halbleiterinseln (125, 225) und einem Übergang (I2, I2') zwischen dem zweiten Halbleiterbereich (120, 220) und dem dritten Halbleiterbereich (130, 230) in einem Bereich von 10 μm bis 25 μm liegt.
  20. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem der Abstand w, w' zwischen den Halbleiterinseln (125, 225) und dem vierten Halbleiterbereich (140, 240) größer als 200 μm ist.
  21. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Breite d, d' der Halbleiterinseln (125, 225) in einem Bereich von 2 μm bis 200 μm liegt.
  22. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem der Abstand e, e' zwischen den Halbleiterinseln (125, 225) in einem Bereich von 5 μm bis 200 μm liegt.
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