DE102005029263B4 - Semiconductor device with improved dynamic load capacity - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper (100) mit einem pn-Übergang (PN1) aufweist, mit einer ersten Seite (S1) und einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite (S2), einem ersten Kontakt (K1) auf der ersten Seite und einem zweiten Kontakt (K2) auf der zweiten Seite, wobei das Halbleiterbauelement als Diode ausgebildet ist und folgende Merkmalen aufweist:
einen Randabschluss (RA), der an einem ersten Bereich (B1) der ersten Seite (S1) angeordnet ist, der sich von einem Rand (RS) der ersten Seite (S1) mindestens bis zu einem pn-Übergang (PN1) erstreckt, und wobei ein zweiter Bereich (B2) einen restlichen Bereich der ersten Seite (S1) umfasst;
einen ersten Halbleiterbereich (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem zweiten Kontakt (K2) angeordnet und mit demselben elektrisch verbunden ist;
einen zweiten Halbleiterbereich (120) des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem ersten Halbleiterbereich (110) angeordnet ist und einen Feldstopp bildet;
eine Mehrzahl von Halbleiterinseln (125), die als Halbleiterbereiche eines zu dem...
Semiconductor component having a semiconductor body (100) with a pn junction (PN1), having a first side (S1) and an opposing second side (S2), a first contact (K1) on the first side and a second contact ( K2) on the second side, wherein the semiconductor component is formed as a diode and has the following features:
an edge termination (RA) disposed at a first region (B1) of the first side (S1) extending from an edge (RS) of the first side (S1) at least to a pn junction (PN1), and wherein a second area (B2) comprises a remaining area of the first side (S1);
a first semiconductor region (110) of a first conductivity type disposed on and electrically connected to the second contact (K2);
a second semiconductor region (120) of the first conductivity type disposed on the first semiconductor region (110) and forming a field stop;
a plurality of semiconductor islands (125) that are used as semiconductor regions of a ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, wie z. B. für Freilaufdioden.The present invention relates to a semiconductor device, such as. B. for freewheeling diodes.

Auf dem Gebiet der Leistungshalbleitertechnik ist man bestrebt, Halbleiterbauelemente mit Schutzmechanismen zu versehen, damit selbst unter Extrembedingungen einer Zerstörung der Halbleiterbauelemente vorgebeugt werden kann.In the field of power semiconductor technology, efforts are being made to provide semiconductor components with protective mechanisms so that destruction of the semiconductor components can be prevented even under extreme conditions.

Derartige Extrembedingungen können unter anderem bei dem Abkommutieren von Leistungshalbleiterdioden auftreten. Während des Abkommutiervorgangs liegen beispielsweise an dem nn-Übergang einer pnn-Halbleiterdiode hohe elektrische Felder an, was zu einer lawinenartigen Ladungsträgererzeugung an dem nn-Übergang führt. Zum gleichen Zeitpunkt treten an einem pn-Übergang der pnn-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.Such extreme conditions can occur, inter alia, in the commutation of power semiconductor diodes. During the commutation process, for example, high electric fields are present at the n - n junction of a pn - n semiconductor diode, which leads to an avalanche-like charge carrier generation at the n -to- n junction. At the same time occur at a pn - n on semiconductor diode high electrical field strengths to avalanche-like carrier generation at the pn - - junction of the pn junction lead. The abrupt, avalanche-like generation of charge carriers, the so-called avalanche effect or avalanche effect, has the effect that a high electric field necessary for the blocking capability of the semiconductor diode can no longer be maintained in an n - doped middle region of the semiconductor diode. The semiconductor diode thus loses its blocking capability and is destroyed unless external measures have been taken to limit the current and power.

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.In order to avoid destruction of the semiconductor diode, the Abkommutiervorgang the diode must be done so far sufficiently slow. If such semiconductor diodes were used within IGBT semiconductor modules, however, an increase in the turn-on losses of the IGBTs had to be accepted.

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.Another way to prevent the destruction of the semiconductor diode, is to increase the chip thickness of the semiconductor diode or to reduce the amount of flooding charge at the anode and at the same time to increase the flood charge at the cathode. Such measures, however, entail increased forward losses or switching losses.

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.In the case of IGBT semiconductor components, in particular field-stop IGBT and PT-IGBT (PT = punch through), extreme conditions occur, in particular, when switching off high currents and in the event of short circuits. When switching off high currents, care must be taken to ensure that corresponding current drops within the IGBT are not too steep, which is the case in particular when there is no or insufficient flooding charge in the back of the IGBT for a required blocking voltage and, as a result, the load current breaks off. Due to the strong electron flow through the IGBT-induced channel, the state of the short circuit causes the highest electric field strength within the IGBT not at the pn junctions near the front but at a nn + backside to the field stop layer, which also acts as a buffer layer is called out occurs. This can in turn lead to an avalanche-like generation of charge carriers at the nn + junction, which leads to a reduction of the electric field strength within the IGBT and thus to a loss of the blocking capability of the component. In both cases, the IGBT can be destroyed.

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.In the case of IGBTs with a "leaking" field stop, the electric field extends, for example, in an n-mid region until shortly before the n-field stop. The barrier properties and in particular the dynamic properties of such an IGBT are very much dependent on an exact adjustment of the basic doping or a matching of the doping of the individual layers and their layer thicknesses to one another. This is difficult because typically the base material doping can vary by as much as +/- 15%.

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.In principle, the problems described above can not occur in the case of NPT-IGBT (NPT = non-punchthrough) since a sufficiently thick neutral zone or no field stop layer is present in these semiconductor components. Since the electric field within the NPT-IGBT hardly ever forms in the entire semiconductor volume due to the increased thickness of the semiconductor device, a sufficient amount of charge carriers is always available for a current transport during a power-down process, so that the load current can not break off. In the event of short circuits, a higher electron current density leads to a flatter gradient of the electric field and thus to an approximation of the space charge zone to the p-doped rear side emitter, for example, which injects more holes into the semiconductor component. This additional positive charge in turn leads to a splitting of the electric field and thus to the stabilization of the same. Thus, the blocking capability of the IGBT can be maintained.

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.However, a disadvantage of NPT-IGBT is its increased chip thickness compared to field stop or PT-IGBT, which correspondingly increases switching and forward losses. It has therefore been attempted to interrupt the field stop layer or to design island-shaped and / or low doping. This in turn has the disadvantage that a compromise between the static blocking capability of the semiconductor device and the softness or short circuit resistance must be found. Although it is possible by increasing the doping of the back emitter, the softness or short circuit resistance of Semiconductor device to improve. However, this leads to a strong carrier flooding even under normal conditions, which is undesirable, as this results in increased switching losses.

Die nicht vorveröffentlichte 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.The non-prepublished patent application DE 103 61 136.3 describes an approach in which p-islands are inserted in an active region of a power transistor or an IGBT on the rear side in a mid-field area or a field stop, which emit charge carriers in certain operating states and thus counteract the effects described above, in particular the avalanche effects.

3, die der 1 der nicht vorveröffentlichten 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. 3 , the the 1 the unpublished patent application DE 103 61 136.3 corresponds, shows a semiconductor diode 1 that is an anode 2 , a cathode 3 , a first semiconductor layer 4 , a second semiconductor layer 5 and a third semiconductor layer 6 wherein the first semiconductor layer 4 n + -doped, the second semiconductor layer n - doped and the third semiconductor layer 6 p-doped, and the associated electrical equivalent circuit diagram. The first, second and third semiconductor layers 4 . 5 and 6 together form a semiconductor volume 7 that between the anode 2 and the cathode 3 is provided. Within the second semiconductor layer 5 are several p-doped semiconductor zones 81 to 84 provided, which have a rectangular cross section and are equidistant from each other. The semiconductor zones 81 to 84 are arranged at the same vertical height, wherein the respective lower sides directly to the first semiconductor layer 4 adjoin. The transition between the semiconductor layer 4 and the semiconductor zones 81 to 84 or with the semiconductor layer 5 is with J3, the transition between the semiconductor zones 81 to 84 and the second semiconductor layer 5 is with J2 and the junction between the second and the third semiconductor layer 5 . 6 denoted by J1.

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.When the semiconductor diode is switched to the blocking state, J2 in the forward direction, J1 and J3 in the reverse direction are poled. If there is a dynamic avalanche at the main transition J1, then J3 is also in the state of the avalanche. During this state, there is still a charge carrier mountain in the middle zone of the diode. J2 now injects the holes created in the avalanche of J3 into the charge carrier mountain. This prevents the charge carrier mountain from detaching from the junction J3. The injected holes compensate for the electrons coming from junction J1 through dynamic avalanche. Thus, it is not possible for a space charge zone carried by the free electrons between the charge carrier mountain and the n + region, ie the first semiconductor layer 4 , build up.

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.The through the semiconductor zones 81 to 84 formed p-zone is interrupted, which can be described by a resistor R. For a continuous p-zone, junction J2 would be off if the diode were to be forward biased. The resistor R small currents in the forward direction of a shunt. At typical operating currents, the PNPN structure is turned on, that is, turned on and flooded with charge carriers. The resistance R should not be too small: When commutating a voltage must be built up at the junction J3, which leads to an avalanche.

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.An essential aspect of the approach described is to improve the commutation resistance in a high-voltage diode structure by a stabilizing dynamic avalanche at a pn junction at the cathode during switching. The illustrated semiconductor diode effects a stabilization of the electric field by means of the dynamic avalanche and thus makes it possible to avoid destructive electric fields at an nn + junction, without the semiconductor diode having such a large central zone thickness that a dynamic avalanche is present at a pn junction of the semiconductor diode is terminated before an electric field can form at the nn + junction.

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 Stromdichten im Rand können zu einer vorzeitigen Zerstörung des Halbleiterbauelements führen.A disadvantage of the approach described above is the significant reduction of the static blocking voltage and thus the resulting blocking capability of the component associated with the p-type conductor zones or p-islands. Furthermore, the p-islands generate high carrier densities even in the edge of the semiconductor device. However, high carrier densities in the edge are undesirable because typically necessary edge terminations of semiconductor components are dimensioned on the static dopants and the additional carriers lead to higher loads, in particular in the edge regions of the semiconductor component. The high carrier densities or high current densities in the edge can lead to premature destruction of the semiconductor device.

Die US 6 239 466 B1 beschreibt einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), der für eine Nullspannungsschaltung (ZVS – zero voltage switching) optimiert ist. Der IGBT wird als MOSFET mit einer sehr kleinen Bipolartransistorkomponente betrieben. Schaltungsverluste werden dadurch reduziert, dass die Anzahl der Minoritätsträger, die während der Leitphase in das Bauteil injiziert werden, reduziert werden. Dazu weist der IGBT beispielsweise eingegrabene p+-Schichten (diverter) in einer Pufferschicht (buffer layer) auf.The US Pat. No. 6,239,466 B1 describes an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) optimized for zero voltage switching (ZVS). The IGBT operates as a MOSFET with a very small bipolar transistor component. Circuit losses are reduced by reducing the number of minority carriers injected into the device during the conduction phase. For this purpose, the IGBT, for example, buried p + layers (diverter) in a buffer layer (buffer layer) on.

Die DE 697 21 366 T2 beschreibt eine Diode mit einer vorderseitigen Anodenelektrode und einer rückseitigen Kathodenelektrode, wobei auf der Kathodenelektrode eine n+-dotierte Halbleiterschicht angeordnet ist, auf der wiederum eine n-Driftzone angeordnet ist. In einem aktiven Bereich ist über der Driftzone eine p+-dotierte Halbleiterschicht unterhalb der Anodenelektrode angeordnet, und in einem neben dem aktiven Bereich angeordneten Anschlussbereich eine p+-dotierte Halbleiterschicht, die unter einer weiteren Elektrode angeordnet ist. Die auf der Kathodenelektrode angeordnete n+-dotierte Halbleiterschicht weist in dem aktiven Bereich p+-dotierte Halbleiterschichten auf, die sich von der Kathodenelektrode durch die n+-dotierte Halbleiterschicht in die Driftzone erstrecken.The DE 697 21 366 T2 describes a diode having a front-side anode electrode and a rear-side cathode electrode, wherein an n + -doped semiconductor layer is arranged on the cathode electrode, on which in turn an n - drift zone is arranged. In an active region, a p + -doped semiconductor layer is arranged below the anode electrode above the drift zone, and in a connection region arranged adjacent to the active region a p + -doped semiconductor layer which is arranged under a further electrode. The n + -doped semiconductor layer arranged on the cathode electrode has p + -doped semiconductor layers in the active region, which extend from the cathode electrode through the n + -doped semiconductor layer into the drift zone.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleiterbauelement mit verbesserter dynamischer Belastbarkeit zu schaffen, das gleichzeitig eine möglichst hohe statische Sperrfähigkeit aufweist.The object of the present invention is to provide a semiconductor device with improved dynamic load capacity, which simultaneously has the highest possible static blocking capability.

Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a semiconductor device according to claim 1.

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 nicht vorveröffentlichten DE 103 61 136.3 erhöht.The present invention is based on the finding that a dynamic loading of an edge region or an edge termination of a semiconductor component can be reduced in that the current flow takes place by means of appropriate measures substantially in an inner region of the semiconductor component. This is achieved by the fact that the spatial arrangement of the semiconductor islands and the dimensioning of the semiconductor islands, that is, substantially their doping, width and depth, is selected such that the breakdown voltage is lowered in an inner region of the component or under the second region in that the breakdown during operation of the semiconductor component takes place securely in an inner region and not in an edge region of the component or under the first region. This allows a so-called "self-clamping" function or self-limiting function, which leads to a higher dynamic load capacity of the semiconductor device. The essential feature of the present invention is therefore that the semiconductor islands are arranged only under the second region or in the inner region, but not under the first region or in an edge region of the component. This reduces the current flow under a first region, but in particular at the edges or saw edges themselves, and thus also considerably reduces the risk of premature destruction of the semiconductor component. At the same time thereby the static reverse voltage of the semiconductor device compared to a semiconductor device according to the not previously published DE 103 61 136.3 elevated.

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.A further advantage of the present invention is that the lowering of the breakdown voltage below the second region is effected by measures which only affect the depth of the semiconductor device and not in the vicinity of a surface, so that also a sufficient long-term stability of this function is given ,

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.In contrast to "leaky" field stops in IGBT, which also do not require loading on surfaces of the semiconductor device, the present invention is not strongly dependent on base material doping, which typically can vary as shown above by as much as +/- 15% and the influence of a thickness of, for example, an n - region or an n - middle region is likewise greatly reduced.

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.Semiconductor components according to the invention can have both n-type doping and p-type doping as the first conductivity type, with the p-type doping or n-type doping accordingly corresponding to the second conductivity type. In a preferred embodiment according to the invention, the first conductivity type has an n-type doping and the second conductivity type has a p-type doping.

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.In preferred embodiments of the invention, the edge termination has a field plate structure. This Feldplattenrandabschluss consists of at least one structured insulator layer and at least one structured field plate, wherein the insulator layer or layers on the first region of the first side and the field plate or field plates are electrically conductive and disposed on the insulator layer or the insulator layers. Frequently, field plates are guided stepwise over a plurality of insulator layers, so that one side of the field plate is significantly further away from the surface of the semiconductor.

Ein 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 Leitfähigkeitstyps, 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.An embodiment of the present invention is formed as a diode, wherein the diode has a first semiconductor region of the first conductivity type disposed on and electrically connected to the second contact, a second semiconductor region of the first conductivity type disposed on the first semiconductor region forming the field stop and the semiconductor islands comprises a third semiconductor region of the first conductivity type arranged on the second semiconductor region, wherein the second semiconductor region is more heavily doped than the third semiconductor region and the first semiconductor region is more heavily doped than the second semiconductor region, a fourth semiconductor region of the second conductive type, which is adjacent to the third semiconductor region and is electrically connected to the first contact.

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.The semiconductor islands are preferably island-shaped, that is, configured as a plurality of smaller regions, rectangular, round or in any other desired shapes and, in order to achieve a regular electric field strength structure, advantageously arranged equidistant from each other. The semiconductor islands are preferably configured identically in their dimensions. However, the invention is not limited to these embodiments.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 einen schematischen Querschnitt einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Diode; 1 a schematic cross section of an exemplary diode according to the invention;

2 einen schematischen Querschnitt eines beispielhaften IGBT; und 2 a schematic cross section of an exemplary IGBT; and

3 einen schematischen Querschnitt einer möglichen Diode. 3 a schematic cross section of a possible 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. 1 shows a schematic cross section of a diode according to an embodiment of the present invention, with reference to 1 the principle of the present invention will be explained.

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.The semiconductor component has a semiconductor body 100 with a pn junction PN1, with a first side S1, a second side S2 arranged opposite, a first contact K1 on the first side and a second contact K2 on the second side S2, and an edge termination RA on a first region B1 of the first side S1 and extending from an edge RS1 of the first side S1 at least to a pn junction PN1 of the semiconductor device, wherein a second region B2 comprises a remaining region of the first side S1. Thus, an edge region is defined by the first region B1, which defines the volume of the semiconductor body 100 relative to the orientation of the 1 below the first region B1 or perpendicularly between the first region B1 and the second side S2, and furthermore, an inner region, which defines the volume of the semiconductor body, is defined by the second region B2 100 relative to the orientation of the 1 below the second region B2 or perpendicular between the second region B2 and the second side S2. The edge region and the inner region together comprise the entire semiconductor body. The edge termination RA is defined by a field plate RAF and an insulator RAI, for example an insulator RAI arranged between the first side S1 and the field plate RAF. As an oxide formed.

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.The semiconductor body 100 has a plurality of semiconductor regions of a first conductivity type or a second conductivity type, wherein a first semiconductor region 110 of the first conductivity type is arranged on the second contact K2 and is electrically connected to the same, a second semiconductor region 120 of the first conductivity type on the first semiconductor region 110 is arranged, wherein the second semiconductor region 120 the field stop forms and semiconductor islands 125 of the second conductivity type, a third semiconductor region 130 of the first conductivity type on the second semiconductor region 120 is arranged, wherein the second semiconductor region 120 is more heavily doped than the third semiconductor region 130 and the first semiconductor region 110 is more heavily doped than the second semiconductor region 120 , and a fourth semiconductor region 140 of the second conductivity type is electrically connected to the first contact K1, wherein the fourth semiconductor region 140 to the third semiconductor region 130 borders. Accordingly, the semiconductor body 100 a first junction I1 between the fourth semiconductor region 140 and the third semiconductor region 130 , which forms in this embodiment, the PN junction PN1, a second junction I2 between the third semiconductor region 130 and the second semiconductor region 120 and a third junction I3 between the second semiconductor region 120 and the first semiconductor region 110 on. The fourth semiconductor area 140 is, for example, trough-shaped in the third semiconductor region 130 brought in. The semiconductor islands 125 are arranged at the same vertical height, wherein the undersides of the semiconductor islands 125 directly to the first semiconductor region 110 adjoin. Side surfaces SF connect the first side S1 to the second side S2. Since the side surfaces SF usually arise through dicing in the singling of the individual semiconductor components, these side surfaces SF or "sawing edges" have massive crystal defects.

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.In general, the rule of thumb is that 1/10 of the blocking voltage of a semiconductor diode (calculated in volts) should correspond to a thickness of the semiconductor diode (calculated in μm). In the in 1 described embodiment, the semiconductor body consists of four semiconductor regions, is analogous to the distance w between the semiconductor islands 125 and the fourth semiconductor region 140 for example, for a semiconductor device having a reverse voltage greater than 2 kV, preferably greater than 200 microns.

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 μμm 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 a diode according to the invention according to 1 is a thickness b of the first semiconductor region 110 for example, 0.2 to 12 microns, the thickness a of the semiconductor islands 125 3 to 20 microns, the width d of the semiconductor islands 125 each 2 to 200 microns, the distance c between the semiconductor islands 125 and the second junction I2 10 to 25 microns, the distance e between the individual semiconductor islands 125 5 to 200 μμm and the distance w between the semiconductor islands 125 and the fourth semiconductor region 140 more than 200 microns, preferably between 200 microns and 800 microns.

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.In a preferred embodiment according to 1 the first conductivity type has one n-doping and the second conductivity type on a p-type doping, so that the first contact K1 forms the anode contact and the second contact K2 the cathode contact. Furthermore, then, for example, the first semiconductor region 110 n + doped, the second semiconductor region 120 n-doped, the third semiconductor region 130 n - doped and the fourth semiconductor region 140 as well as the semiconductor islands 125 p-doped, wherein the p-type doping of the semiconductor islands 125 is in a maximum range of 1E15 to 5E15 cm -3 and the n-type doping of the second semiconductor region 120 or the field stop is in a range of 5E14 to 5E15 cm -3 .

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.The exemplary diode is thus, as previously described by the rule of thumb, designed for a voltage of 2,000 volts to 8,000 volts. However, the invention is not limited to these ranges of values. The above-mentioned values depend on the desired voltage class of the semiconductor component, as is already explained above, see rule of thumb, and are therefore not to be understood as a limitation, but merely as an example.

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 Halbleiterbauelements 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.With suitable dimensioning of the proportion of the surfaces of the semiconductor islands 125 , hereinafter referred to as the semiconductor island area, the size of the individual semiconductor islands 125 and their distances from each other and from the second contact K2, a flooding of the semiconductor device with charge carriers can also be spatially differently modulated. The larger the proportion of semiconductor island area, the lower the charge carrier density of the flooding charge in the upstream third semiconductor region. As a result, the breakdown or forward voltage and the switching losses can be selectively reduced.

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.The second semiconductor area 120 serves as a field stop or buffer for the expansion of the space charge zone through which the stage can be moved in the reverse current waveform to higher voltages. Furthermore, the second semiconductor region or the field stop also reduces the blocking capability of the second junction I2, so that the switching on of the diode is facilitated. According to the invention, they extend into the second semiconductor region 120 integrated semiconductor islands 125 not up to the second contact K2. Such a design would result in a very late and abrupt onset of injection of, for example, holes in p-doped semiconductor islands. A dimensioning of the doping regions in order to effect equally soft switching behavior or the prevention of high field strengths at the third junction I3 would not be possible. The required dynamic properties with respect to the different occurring in practical Vorstromdichten and DC link voltages could not be met, because either has the diode at low current densities and / or high voltages no longer sufficient blocking capability, or at high current densities and / or low voltage is no injection from holes more.

2 zeigt einen beispielhaften, schematischen Querschnitt eines IGBT, wobei der 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. 2 shows an exemplary, schematic cross section of an IGBT, wherein the IGBT a semiconductor body 200 with a pn junction PN1 ', with a first side S1' and an opposing second side S2 ', a first contact K1' on the first side S1 'and a second contact K2' on the second side S2 ', an edge termination RA ', which is arranged on a first region B1' of the first side S1 ', which extends from an edge RS1' of the first side S1 'at least to the pn junction PN1', wherein a second region B2 'a remaining region of first side S1 'includes. Thus, an edge region is defined by the first region B1 ', which defines the volume of the semiconductor body 200 relative to the orientation of the 2 below the first region B1 'or perpendicularly between the first region B1' and the second side S2 ', and furthermore, an inner region, which defines the volume of the semiconductor body, is defined by the second region B2' 200 relative to the orientation of the 2 under the second region B2 'or perpendicularly between the second region B2' and the second side S2 '. The edge region and the inner region together comprise the entire semiconductor body. The edge termination RA 'is defined by a field plate RAF' and an insulator RAI ', for example an insulator RAI' arranged between the first side S1 'and the field plate RAF'. As an oxide formed.

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 Leitfähigkeitstyps 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 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.The semiconductor body 200 has a plurality of semiconductor regions of a first conductivity type or a second conductivity type, wherein the first semiconductor region 210 of the second conductivity type is arranged on the second contact K2 'and is electrically connected thereto, a second semiconductor region 220 of the first conductivity type, on the first semiconductor region 210 is arranged, wherein the second semiconductor region 220 the field stop forms and semiconductor islands 225 of the second conductivity type, a third semiconductor region 230 of the first conductivity type, on the second semiconductor region 220 is arranged, a fourth semiconductor region 240 of the second conductivity type to the third semiconductor region 230 adjoins and over an isolation area 260 with a third contact K3 'on the first side S1' of the semiconductor body 200 is arranged, a fifth semiconductor region is coupled 250 of the first conductivity type to the fourth semiconductor region 240 adjacent and electrically connected to the first contact K1 '. These are the semiconductor islands 225 completely in the second semiconductor region 220 , so the field stop, embedded and the second semiconductor region 220 is more heavily doped than the third Semiconductor region 230 and the fifth semiconductor region 250 is more heavily doped than the second semiconductor region 220 , Furthermore, the IGBT has a first junction I1 'between the fourth semiconductor region 240 and the third semiconductor region 230 on, a second junction I2 'between the third semiconductor region 230 and the second semiconductor region 220 , a third junction I3 'between the second semiconductor region 220 and the first semiconductor region 210 and a fourth junction I4 'between the fifth semiconductor region 250 and the fourth semiconductor region 240 , wherein the first junction I1 'forms the PN junction PN1'. Side surfaces SF 'connect the first side S1' to the second side S2 '. Since the side surfaces SF 'arise mostly by dicing the individual semiconductor components, these side surfaces SF or "saw edges" have massive crystal defects. The isolation area 260 has, for example, an oxide.

Bei Beispielen 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.In examples, the thickness a 'of the semiconductor islands is 225 in a range of 0.5 to 20 μm, the width d 'of the semiconductor islands 225 in a range of 2 to 200 μm, the distance e 'of the individual semiconductor islands 225 to each other in a range of 5 to 200 microns, the distance c 'between the third semiconductor region 230 and the semiconductor islands 225 in a range of 10 to 25 μm and the distance w 'between the fourth semiconductor region 240 and the semiconductor islands 225 in a range over 200 microns.

Bei einem 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. Beispielsweise 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 nDotierung, 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, beispielsweise 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.In the case of an IGBT, the first conductivity type can have both an n-doping and a p-doping, in which case the second conductivity type accordingly has a p-type doping or n-type doping. By way of example, the first conductivity type has an n-type doping and the second conductivity type has a p-type doping. Thus, the first contact K1 'forms the emitter, the second contact K2' forms the collector, the third contact K3 forms the gate and the first semiconductor region 210 the p-back emitter, in which case, for example, the first semiconductor region 210 a p-type doping, the second semiconductor region 220 or the field stop an n-doping, the semiconductor islands 225 a p-type doping, the third semiconductor region 230 an n - doping, the fourth semiconductor region 240 a p-type doping and the fifth semiconductor region 250 have an n + doping. This is a p-doping of the semiconductor islands 225 at most in a range of 1E15 to 1E18 cm -3 , for example in a range of 1E16 to 5E16 cm -3 , while n-doping of the field stop and the second semiconductor region 220 in the vertical direction has an integral dopant dose in a range of 2E11 to 2E12 cm -2 . Furthermore, a portion of the fourth semiconductor region 240 which is associated with the first contact, and in 2 between two perpendicular to the side S1 'related electrodes 270 of the third contact K3 'is arranged in a first partial area 241 , a second subarea 242 and a third subarea 243 be divided, with the first subarea 241 which is directly connected to the first contact K1 ', has a higher doping than the second portion 242 , The third section 243 can without direct electrical connection to the contact K1 'or to the subregions 241 and 242 be executed. In the previously described p-doping of the fourth semiconductor region 240 indicates the first subarea 241 thus, for example, a p + doping, the second subarea 242 a p-type doping and the third subrange 243 a p or p + doping on.

Obwohl 2 einen IGBT in Trenchstruktur zeigt, kann ein Halbleiterbauelement auch in planarer Struktur, das heißt als planarer IGBT ausgeführt sein.Even though 2 1 shows an IGBT in trench structure, a semiconductor component can also be embodied in a planar structure, that is to say as a planar IGBT.

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 Silizium 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.By way of example, a semiconductor component can be technologically constructed in such a way that an active region is introduced in a trough shape into another or into a semiconductor substrate, as shown by way of example in FIG 1 is shown, in which the fourth semiconductor region 140 trough-shaped in the third semiconductor region 130 is arranged. Depending on reverse voltage occur at the transitions of the active areas, in 1 For example, transition I1, high field strengths, which can lead to an undesirable breakdown of the device even at low voltages. This results in the edges and bends particularly high field strengths, as is known from the high voltage technology as edge or peak effect. Furthermore, the charge carriers (holes) flowing during a switching operation can considerably influence the field distribution since they act as an effective increase of the basic doping. The blocking capability in the silicon can then be lower than in the stationary case for a short time, ie the virtually currentless case, so that the robustness of the semiconductor element is limited by the edge structure or its limit load capacity is determined thereby. Inside and outside the silicon, significantly higher field strengths than in the stationary case can occur (dynamic effects), so that breakthroughs or long-term damage of oxide or passivation layers such as imide are possible.

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.The structures which are arranged on the first side S1 in order to achieve the highest possible breakdown voltage in static blocking operation are termed edge terminations in semiconductor components. An important optimization criterion for edge seals is a robust behavior in the case of high dynamic load during switching operations.

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.One possibility of implementation is the use of field plates, as they were based on the previous embodiments. These are based, for example, on 1 above of the semiconductor body or the first side S1 on an oxide layer and are electrically connected to the active region, for example the contact K1. The edge effect of the blocking pn junction I1 is effectively reduced by the field plate and the places of highest electric field strength from the semiconductor region shifted into the oxide layer, which withstands a much higher field load. For example, the field plate may be electrically connected to the gate, source, or emitter. In this case, edge seals are not only used in well structures of active areas, but also on saw edges, which are formed for example by dicing, to avoid that space charge zones reach to these saw edges, or to eliminate parasitic effects. It is important that the edge terminations have a high breakdown voltage that is as close to or higher than the breakdown voltage in the cell field or interior, and have a low sensitivity to surface charges, so that a long-term stability is ensured.

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 denselben 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.Although it has been assumed in the exemplary embodiments of an edge termination with field plate structure, semiconductor components according to the invention may also have other edge termination structures, some of which will be briefly explained below by way of example. In the so-called "metal ring structure", similarly to the field plate structure, a conductor is disposed above the first region, and an insulator electrically separates the metal ring from the first region. However, unlike the field plate structure, the metal ring of the metal ring structure is not electrically connected to an active region. The approach of the structure with "resistance layer" is based on being transferred to 1 , the fourth semiconductor area 140 via a resistive layer disposed over and electrically separated from the first region B1 by an insulator having an additional semiconductor region disposed at the edge RS1 and the same conductivity type as the third semiconductor region 130 has, but is heavily doped, is connected. The "field ring structure" has additional semiconductor regions at the first region that have the same conductivity type as the fourth semiconductor region 140 and also have a comparable doping strength. The Junction Termination Extension (JTE) structure has an additional semiconductor region at a first region B1, which has the same conductivity type as the fourth semiconductor region 140 but with a weaker doping, this additional semiconductor region extending beyond the first pn junction. The "RESURF structure" has two additional semiconductor regions, wherein the first additional semiconductor region is arranged on the side edge RS1, the same conductor carrier type as the third semiconductor region 130 but having a stronger doping, and wherein the second additional semiconductor region in the first region B1 adjoins the first additional semiconductor region, the fourth semiconductor region 140 surrounds the same conductivity type as the fourth semiconductor region 140 but is less heavily doped. All of the mentioned edge termination structures cause the space charge zone to expand, thereby preventing break-through at the termination of the junction at the surface of the semiconductor. In addition, combinations of field plates with field rings are known and possible.

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.As can be seen from the exemplified alternative edge termination structures, the edge termination RA can therefore be designed such that it is arranged, for example, in the first area B1. But he does not have to cover the entire first area B1. Furthermore, it may have interruptions and / or extend over a pn junction. In any case, however, the edge termination (RA, RA ') is also located at a region extending from the edge (RS1, RS1') to the first pn junction (PN1, PN1 ') adjacent to the side the edge termination (RA, RA ') is formed, see 1 and 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.In summary, therefore, it can be said that when switching off IGBTs or the commutation of diodes, the voltage across the semiconductor device increases more than the DC link voltage due to the always present leakage inductances. In semiconductor devices whose first conductivity type has, for example, an n-type doping, the flowing holes in the space charge zone simultaneously reduce the dynamic blocking capability of the component. As a result, the maximum electric field strength in the semiconductor component increases and avalanche occurs more frequently. If the semiconductor device is driven without current flow in the avalanche, the effects described below also become apparent. With strong avalanche generation, however, the maximum voltage that can be blocked by the component decreases. The reason for this is the proportion of the electrons in the avalanche generation in the high-field regions close to the blocking pn junction. The field bending caused by the charge carriers generated here reduces the integral Edx (integral of the field strength E across the thickness) and thus the blocking capability of the semiconductor device. Now also a back nn + transition, z. B. at a field stop of a first conductivity type, which has an n-type doping, exposed because the flooding charge is sufficiently eliminated, so a high electron current density in this area also leads to a field peak.

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 hoher Wahrscheinlichkeit zerstört, weil die Feldstärkeverteilung und somit die Sperrfähigkeit zusammenbricht. These nn + transitions do not have edge termination, which is why an occurrence of the field can extend to the saw edge of the chip with its massive crystal defects. Moreover, if the field peak reaches a height such that avalanche also occurs at this nn + junction, then the component is destroyed with high probability because the field strength distribution and thus the blocking capability collapse.

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.So far, these operating cases could only be avoided by the DC link voltage or leakage inductance or the switching speeds and thus the avalanche load reduced or, in the case of diodes, the commutation were more limited. These measures in each case reduced the exploitation of the components and were therefore disadvantageous. For example, typically in a semiconductor device having a nominal blocking voltage of 1200 volts, the intermediate circuit voltage is limited to 600 to 800 V to maintain a 400 to 600 volt reserve for overvoltage spikes in switching due to the problem described above.

Eine erfindungsgemäße Diode oder ein beispielhafter IGBT 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 Dioden wesentlich erleichtert, da der Aufwand für entsprechende Schutzschaltungen, wie sie im Stand der Technik notwendig sind, erheblich reduziert werden kann.A diode according to the invention or an exemplary IGBT therefore provides, in an active region on the rear side or the second side S2, S2 ', however, spaced from the second contact K2, K2', in a n-doped field stop, for example, p-doped semiconductor islands 125 . 225 which emit charge carriers in certain operating states and thus counteract the effects described above. Unlike the unpublished patent application DE 10361136.3 stay the semiconductor islands 125 under the edge termination RA, RA 'and the region of the gate connection contact in IGBTs, which is also referred to as gate pad, recessed as the semiconductor islands 125 . 225 associated with a reduction of the static blocking voltage. The gate connection contacts or according to 2 more generally, the terminal contacts of the electrodes formulate 270 which are electrically connected to the third contact K3 'are in 2 not shown. As a result, the resulting blocking capability of the component is less influenced or less reduced. In addition, it is undesirable, as described above, to find high carrier densities in the edge of a semiconductor component, because the edge terminations are dimensioned to the static dopants and the additional carrier would lead to higher loads. Therefore, the spatial arrangement and the dimensioning of the semiconductor islands 125 . 225 , that is, their doping, width and depth, chosen so that the breakdown voltage in the inner region of the device or under the second region B2, B2 'is lowered so that the breakthrough in the operation of the semiconductor device safely in this large-scale interior or takes place under the second region B2, B2 'and not in an edge region of the semiconductor component or under the first region B1, B1'. This allows a so-called "self-clamping" function, that is, the semiconductor device limits the voltage automatically to allowable values, which in turn leads to a higher dynamic load capacity of the device. Furthermore, the use of the diodes according to the invention is thus considerably facilitated since the expense for corresponding protective circuits, as required in the prior art, can be considerably reduced.

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.An advantage of the invention is thus a lowering of the dynamic blocking capability or blocking voltage in a central region or under the second region B2 of the semiconductor component, whereby in combination with the measures described in the above-mentioned invention disclosure by means of a design measure a so-called "self-clamping". Function is enabled.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
HalbleiterdiodeSemiconductor diode
22
Anodeanode
33
Kathodecathode
44
erste Halbleiterschichtfirst semiconductor layer
55
zweite Halbleiterschichtsecond semiconductor layer
66
dritte Halbleiterschichtthird semiconductor layer
77
HalbleitervolumenSemiconductor volume
81 bis 84 8 1 to 8 4
HalbleiterzonenSemiconductor zones
J1J1
Übergangcrossing
J2J2
Übergangcrossing
J3J3
Übergangcrossing
100100
HalbleiterkörperSemiconductor body
PN1PN1
pn-Übergangpn junction
S1S1
erste Seitefirst page
S2S2
zweite Seitesecond page
K1K1
erster Kontaktfirst contact
K2K2
zweiter Kontaktsecond contact
RARA
Randabschlussedge termination
B1B1
erster Bereichfirst area
B2B2
zweiter Bereichsecond area
110110
erster Halbleiterbereichfirst semiconductor area
120120
zweiter Halbleiterbereichsecond semiconductor region
130130
dritter Halbleiterbereichthird semiconductor region
140140
vierter Halbleiterbereichfourth semiconductor region
RS1RS1
Rand der ersten SeiteEdge of the first page
RAFRAF
Feldplattefield plate
RAIRAI
Isolator des RandabschlussesIsolator of the edge termination
I1I1
erster Übergang zwischen dem vierten Halbleiterbereich und dem dritten Halbleiterbereichfirst transition between the fourth semiconductor region and the third semiconductor region
I2I2
zweiter Übergang zwischen dem dritten Halbleiterbereich und dem zweiten Halbleiterbereichsecond junction between the third semiconductor region and the second semiconductor region
I3I3
dritter Übergang zwischen dem zweiten Halbleiterbereich und dem ersten Halbleiterbereichthird junction between the second semiconductor region and the first semiconductor region
SFSF
Seitenflächeside surface
aa
Dicke der HalbleiterinselnThickness of the semiconductor islands
bb
Dicke des ersten HalbleiterbereichsThickness of the first semiconductor region
cc
Abstand der Halbleiterinseln zu 2.tem ÜbergangDistance of the semiconductor islands to 2.tem transition
dd
Breite der HalbleiterinselnWidth of the semiconductor islands
ee
Abstand zwischen den HalbleiterinselnDistance between the semiconductor islands
ww
Abstand zwischen den Halbleiterinseln und dem vierten HalbleiterbereichDistance between the semiconductor islands and the fourth semiconductor region
200200
HalbleiterkörperSemiconductor body
PN1'PN1 '
pn-Übergangpn junction
S1'S1 '
erste Seitefirst page
S2'S2 '
zweite Seitesecond page
K1'K1 '
erster Kontaktfirst contact
K2'K2 '
zweiter Kontaktsecond contact
RARA
Randabschlussedge termination
RS1'RS1 '
Rand der ersten SeiteEdge of the first page
B1'B1 '
erster Bereichfirst area
B2'B2 '
zweiter Bereichsecond area
B3'B3 '
dritter Bereichthird area
B4'B4 '
vierter Bereichfourth area
210210
erster Halbleiterbereichfirst semiconductor area
220220
zweiter Halbleiterbereichsecond semiconductor region
230230
dritter Halbleiterbereichthird semiconductor region
240240
vierter Halbleiterbereichfourth semiconductor region
250250
fünfter Halbleiterbereichfifth semiconductor area
260260
IsolationsbereichQuarantine
SF'SF '
Seitenflächeside surface
241241
erster Teilbereichfirst subarea
242242
zweiter Teilbereichsecond subarea
243243
dritter Teilbereichthird subarea
RAF'RAF '
Feldplattefield plate
RAI'RAI '
Isolator des RandabschlussesIsolator of the edge termination
270270
Elektrodeelectrode
a'a '
Dicke der HalbleiterinselnThickness of the semiconductor islands
c'c '
Abstand der Halbleiterinseln zum zweiten ÜbergangDistance of the semiconductor islands to the second transition
d'd '
Breite der HalbleiterinselnWidth of the semiconductor islands
e'e '
Abstand zwischen den HalbleiterinselnDistance between the semiconductor islands
w'w '
Abstand zwischen den Halbleiterinseln und dem vierten HalbleiterbereichDistance between the semiconductor islands and the fourth semiconductor region
I1'I1 '
erster Übergang zwischen dem vierten Halbleiterbereich und dem dritten Halbleiterbereichfirst transition between the fourth semiconductor region and the third semiconductor region
I2'I2 '
zweiter Übergang zwischen dem dritten Halbleiterbereich und dem zweiten Halbleiterbereichsecond junction between the third semiconductor region and the second semiconductor region
I3'I3 '
dritter Übergang zwischen dem zweiten Halbleiterbereich und dem ersten Halbleiterbereichthird junction between the second semiconductor region and the first semiconductor region
I4'I4 '
vierter Übergang zwischen dem fünften Halbleiterbereich und dem vierten Halbleiterbereichfourth transition between the fifth semiconductor region and the fourth semiconductor region

Claims (12)

Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper (100) mit einem pn-Übergang (PN1) aufweist, mit einer ersten Seite (S1) und einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite (S2), einem ersten Kontakt (K1) auf der ersten Seite und einem zweiten Kontakt (K2) auf der zweiten Seite, wobei das Halbleiterbauelement als Diode ausgebildet ist und folgende Merkmalen aufweist: einen Randabschluss (RA), der an einem ersten Bereich (B1) der ersten Seite (S1) angeordnet ist, der sich von einem Rand (RS) der ersten Seite (S1) mindestens bis zu einem pn-Übergang (PN1) erstreckt, und wobei ein zweiter Bereich (B2) einen restlichen Bereich der ersten Seite (S1) umfasst; einen ersten Halbleiterbereich (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem zweiten Kontakt (K2) angeordnet und mit demselben elektrisch verbunden ist; einen zweiten Halbleiterbereich (120) des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem ersten Halbleiterbereich (110) angeordnet ist und einen Feldstopp bildet; eine Mehrzahl von Halbleiterinseln (125), die als Halbleiterbereiche eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp inversen, zweiten Leitfähigkeitstyps in dem zweiten Halbleiterbereich derart angeordnet sind, dass dieselben nur unter dem zweiten Bereich (B2, B2') angeordnet sind und keine Halbleiterinseln (125) unter dem ersten Bereich (B1) angeordnet sind, wobei eine Unterseite der Mehrzahl von Halbleiterinseln (125) direkt an den ersten Halbleiterbereich (110) angrenzt; einen 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 einen vierten Halbleiterbereich (140) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der an den dritten Halbleiterbereich (130) angrenzt und mit dem ersten Kontakt (K1) elektrisch verbunden ist.Semiconductor device comprising a semiconductor body ( 100 ) having a pn junction (PN1), having a first side (S1) and an opposing second side (S2), a first contact (K1) on the first side, and a second contact (K2) on the second side, wherein the semiconductor device is formed as a diode and has the following features: an edge termination (RA), which is arranged on a first region (B1) of the first side (S1) extending from an edge (RS) of the first side (S1) at least extending to a pn junction (PN1), and wherein a second region (B2) comprises a remaining region of the first side (S1); a first semiconductor region ( 110 ) of a first conductivity type disposed on and electrically connected to the second contact (K2); a second semiconductor region ( 120 ) of the first conductivity type, which on the first semiconductor region ( 110 ) is arranged and forms a field stop; a plurality of semiconductor islands ( 125 ) disposed as semiconductor regions of a second conductivity type inverse to the first conductivity type in the second semiconductor region such that they are disposed only below the second region (B2, B2 ') and not semiconductor islands ( 125 ) are arranged below the first region (B1), wherein a lower side of the plurality of semiconductor islands ( 125 ) directly to the first semiconductor region ( 110 ) adjoins; a third semiconductor region ( 130 ) of the first conductivity type, which on the second semiconductor region ( 120 ) is arranged; wherein the second semiconductor region ( 120 ) is more heavily doped than the third semiconductor region ( 130 ) and the first semiconductor region ( 110 ) stronger than the second semiconductor region ( 120 ) is doped; and a fourth semiconductor region ( 140 ) of the second conductivity type, which is connected to the third semiconductor region ( 130 ) and is electrically connected to the first contact (K1). Halbleiterelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Leitfähigkeitstyp eine n-Dotierung und der zweite Leitfähigkeitstyp eine p-Dotierung aufweist.Semiconductor element according to claim 1, wherein the first conductivity type has an n-type doping and the second conductivity type has a p-type doping. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Randabschluss (RA) mindestens eine strukturierte Isolatorschicht (RAI) und mindestens eine strukturierte Feldplatte (RAF) aufweist, wobei die Isolatorschicht (RAI) bzw. die Isolatorschichten auf dem ersten Bereich (B1) der ersten Seite (S1) angeordnet und die Feldplatte (RAF) bzw. Feldplatten elektrisch leitfähig sind und auf der Isolatorschicht (RAI) bzw. den Isolatorschichten angeordnet sind. Semiconductor component according to one of Claims 1 or 2, in which the edge termination (RA) has at least one patterned insulator layer (RAI) and at least one patterned field plate (RAF), the insulator layer (RAI) or the insulator layers on the first area (B1). arranged on the first side (S1) and the field plate (RAF) or field plates are electrically conductive and are arranged on the insulator layer (RAI) or the insulator layers. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der erste Halbleiterbereich (110) n+-dotiert, der zweite Halbleiterbereich (120) n-dotiert, der dritte Halbleiterbereich (130) ndotiert, und der vierte Halbleiterbereich (140) und die Halbleiterinseln (125) p-dotiert sind.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 3, in which the first semiconductor region ( 110 ) n + doped, the second semiconductor region ( 120 ) n-doped, the third semiconductor region ( 130 ) n - doped, and the fourth semiconductor region ( 140 ) and the semiconductor islands ( 125 ) are p-doped. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Dicke a der Halbleiterinseln 125 in einem Bereich von 3 μm bis 20 μm liegt.A semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein a thickness a of the semiconductor islands 125 in a range of 3 microns to 20 microns. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Dicke b des ersten Halbleiterbereichs (110) in einem Bereich von 0,2 μm bis 12 μm liegt.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 5, in which a thickness b of the first semiconductor region ( 110 ) is in a range of 0.2 μm to 12 μm. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine p-Dotierung der Halbleiterinseln (125) maximal in einem Bereich von 1E15 bis 5E15 cm–3 liegt.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 6, in which a p-doping of the semiconductor islands ( 125 ) is in a maximum range of 1E15 to 5E15 cm -3 . Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine n-Dotierung des Feldstopps in einem Bereich von 5E14 bis 5E15 cm–3 liegt.Semiconductor device according to one of claims 1 to 7, wherein an n-doping of the field stop in a range of 5E14 to 5E15 cm -3 . Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein Abstand c zwischen den Halbleiterinseln (125) und einem Übergang (I2) zwischen dem zweiten Halbleiterbereich (120) und dem dritten Halbleiterbereich (130) in einem Bereich von 10 μm bis 25 μm liegt.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 8, in which a distance c between the semiconductor islands ( 125 ) and a junction (I2) between the second semiconductor region ( 120 ) and the third semiconductor region ( 130 ) is in a range of 10 μm to 25 μm. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Abstand w zwischen den Halbleiterinseln (125) und dem vierten Halbleiterbereich (140) größer als 200 μm ist.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 9, in which a spacing w between the semiconductor islands ( 125 ) and the fourth semiconductor region ( 140 ) is greater than 200 microns. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Breite d der Halbleiterinseln (125) in einem Bereich von 2 μm bis 200 μm liegt.Semiconductor component according to one of claims 1 to 10, wherein a width d of the semiconductor islands ( 125 ) is in a range of 2 μm to 200 μm. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein Abstand e zwischen den Halbleiterinseln (125) in einem Bereich von 5 μm bis 200 μm liegt.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 11, in which a distance e between the semiconductor islands ( 125 ) is in a range of 5 μm to 200 μm.
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