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 ...
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 n–n-Übergang einer pn–n-Halbleiterdiode hohe elektrische Felder an, was zu einer lawinenartigen Ladungsträgererzeugung an dem n–n-Übergang führt. Zum gleichen Zeitpunkt treten an einem pn–-Übergang der pn–n-Halbleiterdiode hohe elektrische Feldstärken auf, die zu einer lawinenartigen Ladungsträgererzeugung an dem pn–-Übergang führen. Die abrupte, lawinenartige Erzeugung von Ladungsträgern, der sog. Lawineneffekt bzw. Avalanche-Effekt, bewirkt, dass in einem n–-dotierten Mittelgebiet der Halbleiterdiode ein für das Sperrvermögen der Halbleiterdiode notwendiges hohes elektrisches Feld nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Die Halbleiterdiode verliert somit ihr Sperrvermögen und wird zerstört, falls nicht externe Maßnahmen zur Strom- und Leistungsbegrenzung vorgenommen wurden.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
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
Die durch die Halbleiterzonen
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
Die
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
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
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:
Das Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper
Der Halbleiterkörper
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
Bei einer erfindungsgemäßen Diode gemäß
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß
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
Der zweite Halbleiterbereich
Der Halbleiterkörper
Bei Beispielen liegt die Dicke a' der Halbleiterinseln
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
Obwohl
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
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
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
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
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
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)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102005029263A Active DE102005029263B4 (en) | 2005-06-23 | 2005-06-23 | Semiconductor device with improved dynamic load capacity |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R082 | Change of representative | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20111008 |