DE102006023171A1

DE102006023171A1 - Halbleiterbauelement mit lokaler Plasmaextraktion

Info

Publication number: DE102006023171A1
Application number: DE200610023171
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Schulze; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Frank Hille; Frank Dr. Pfirsch
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: DE102006023171B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, z. B. einen Leistungsthyristor mit einer oder mehreren im Randbereich (R) eines Anodenemitters (EA) und/oder eines Kathodenemitters (EK) integrierten MOS-Feldeffekttransistorstruktur(en) (FETA, FETK). Durch Anlegen einer Steuerspannung an die jeweilige Gateelektrode (GA, GK) lässt sich in dem Randbereich (R) des Bauelements das Ladungsträgerplasma beim Abschalten effizienter abbauen als im übrigen Bereich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement, bei dem Maßnahmen getroffen sind, das Ladungsträgerplasma lokal beim Abschalten schneller zu extrahieren, um die Schaltverluste zu reduzieren und eine schnellere Sperrfähigkeit des Bauelements zu erreichen.
Aus DE 100 48 857 A1 ist ein Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem durch eine in eine Emitterschicht eingebrachte MOS-Transistorstruktur mittels einer an deren Gateelektrode angelegten Spannung die Emitterwirksamkeit des Halbleiterbauelements steuerbar ist, so dass aber der Emitterübergang stets sperrfähig bleibt. Bei diesem bekannten Halbleiterbauelement ist die die Steuerbarkeit des Emitters bewirkende MOS-Feldeffekttransistorstruktur lediglich einseitig in einer Anodenemitterschicht vorgesehen, und es ist keine Rücksicht auf lateral unterschiedliche Bereiche des Halbleiterbauelements genommen.
Die bislang im allgemeinen Stand der Technik üblichen Maßnahmen bestehen darin

– die Ladungsträgerlebensdauer im gesamten Bauelement oder zumindest lokal abzusenken und/oder
– die Emittereigenschaften entsprechend anzupassen.

In Dioden oder IGBTs lässt sich z. B. durch eine gezielte Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer im Randbereich das Abschaltverhalten verbessern, da auf diese Weise die Ladungsträgerdichte während der Strom führenden Phase im Randbereich deutlich gegenüber der Ladungsträgerdichte im Volumen der Diode bzw. im Zentrum einer IGBT-Struktur herabgesetzt ist.
Weiterhin kann der Emitter von IGBTs z.B. durch Emittershorts so strukturiert werden, dass z.B. der Emitterwirkungsgrad im Randbereich gegenüber der Kontaktfläche dauerhaft herabgesetzt ist. Auf diese Weise lässt sich ebenfalls die Ladungsträgerdichte im Randbereich deutlich gegenüber der Ladungsträgerdichte im aktiven Bereich des Bauelements reduzieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Halbleiterbauelement Mittel anzugeben, mit denen sich durch eine steuerbare Extraktion des Ladungsträgerplasmas in bestimmten Bereichen des Halbleiterbauelements das Abschaltverhalten bzw. das Verhalten beim Wiedereinschalten verbessern lässt. Weiterhin soll besonders durch eine lokale steuerbare Extraktion der Ladungsträger speziell im Randbereich von Leistungshalbleiterbauelementen, die eine durch Ladungsträgerinjektion erhöhte Leitfähigkeit aufweisen (wie Dioden, IGBTs, Thyristoren usw.), deren Robustheit im Überlastfall verbessert werden.
Außerdem soll bei Thyristoren durch eine geringere (bzw. keine) Extraktion der Ladungsträger in bestimmten (lateralen) Bereichen ein sicheres Einschalten während der Freiwerdezeit erreicht werden, während im Hauptkathodenbereich die Extraktion erhöht ist. Auf diese Weise lässt sich eine sogenannte Freiwerdeschutzfunktion im Bauelement integrieren. Nach bisherigem Stand der Technik wird eine solche Freiwerdeschutzfunktion z.B. dadurch im Thyristor integriert, dass die Ladungsträgerlebensdauer im Amplifying Gatebereich des Thyristors weniger stark abgesenkt wird als im Hauptkathodenbereich des Thyristors (vgl. F.-J. Niedernostheide, H.-J. Schulze und U. Kellner-Werdehausen, Proc. PCIM'2001 (Nürnberg), S. 51–56.
Die obige Aufgabe wird übereinstimmend mit einem wesentlichen Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Halbleiterbauelement, das Schichten unterschiedlichen Leitungstyps und mindestens eine Emitterschicht mit wenigstens einer darin eingelagerten MOS-Feldeffekttransistorstruktur aufweist, durch die mittels einer an eine Gateelektrode derselben angelegten Steuerspannung die Emitterwirksamkeit im Betrieb des Halbleiterbauelements steuerbar ist, um den Abbau des Ladungsträgerplasmas beim Abschalten des Halbleiterbauelements zu beschleunigen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gateelektrode der wenigstens einen MOS-Feldeffekttransistorstruktur in lateraler Richtung bis zu einer Zone mit einem zum Leitungstyp des jeweiligen Emitters komplementären Leitungstyp reicht, die in einem lateral begrenzten, hochdotierten Emitterbereich angeordnet ist, so dass durch eine Steuerspannung an der Gateelektrode der MOS-Feldeffekttransistorstruktur die Emitterinjektions- und Barriereneigenschaften in lateral unterschiedlichen Bereichen des Halbleiterbauelements unterschiedlich einstellbar sind.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ein Leistungsthyristor mit einem Hauptthyristorbereich und einem Amplifying Gatebereich, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Bereich des Hauptthyristors die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur im Anodenemitter aufweist. Im Amplifying Gatebereich sind diese MOS-Feldeffekttransistorstrukturen entweder gar nicht oder in geringerer Flächendichte vorhanden.
Vorteilhafterweise können bei einem derartigen Leistungsthyristor mehrere lateral voneinander beabstandete MOS-Feldeffekttransistorstrukturen im Anodenemitter vorgesehen sein.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ein Leistungsthyristor mit einem Hauptthyristorbereich und einem Amplifying Gatebereich, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur im Kathodenemitter liegt.
Ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel können auch bei dem dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechenden Leistungsthyristor mehrere lateral voneinander beabstandete MOS-Feldeffekttransistorstrukturen in der Kathodenemitterschicht vorgesehen sein.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ein Leistungsthyristor mit einem Hauptthyristorbereich und einem Amplifying Gatebereich, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorbereich im Anodenemitter und im Kathodenemitter gebildet ist.
Ähnlich wie bei dem ersten und bei dem zweiten Ausführungsbeispiel können auch beim dritten Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise mehrere voneinander beabstandete MOS-Feldeffekttransistorstrukturen jeweils in dem Anodenemitter und im Kathodenemitter vorgesehen sein.
Wenn bei einem derartigen gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel gestalteten Leistungsthyristor im Anodenemitter und im Kathodenemitter jeweils mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur oder mehrere derartige MOS-Feldeffekttransistorstrukturen gebildet sind, liegen sich die lateralen Positionen der hoch dotierten Emitterbereiche im Anodenemitter und im Kathodenemitter vorteilhafterweise gegenüber.
Ferner ist es bevorzugt, dass bei einem gemäß dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel gestalteten Leistungsthyristor der laterale Abstand der hoch dotierten Anodenemitterbereiche und/oder der hoch dotierten Kathodenemitterbereiche im Grenzbereich zwischen dem Amplifying Gatebereich und dem Hauptthyristorbereich vergrößert ist.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass sich bei einem derartigen gemäß dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel gestalteten Leistungsthyristor der laterale Abstand der hoch dotierten Anodenemitterbereiche und/oder der hoch dotierten Kathodenemitterbereiche im Grenzbereich zwischen dem Amplifying Gatebereich und dem Hauptthyristorbereich in radialer Richtung des Bauelements nach außen, das heißt zum Bauelementrand hin, kontinuierlich verringert.
Bevorzugt reicht die laterale Ausdehnung des Grenzbereichs zwischen dem Amplifying Gate- und dem Hauptthyristorbereich des dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel entsprechenden Leistungsthyristors vom 1,5-fachen bis zum 3-fachen der Diffusionslänge der Ladungsträger.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement als Leistungsdiode mit einem Randabschluss gestaltet, und die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur ist im Randbereich des rückseitigen Kathodenemitters der Leistungsdiode vorgesehen.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, gemäß dem das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement als Leistungsdiode gestaltet ist, liegt die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur im Randbereich des Anodenemitters der Leistungsdiode.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel bildet eine Kombination des vierten und fünften Ausführungsbeispiels, so dass bei einer erfindungsgemäßen Leistungsdiode mit Randabschluss jeweils eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur im Randbereich des rückseitigen Kathodenemitters und im Randbereich des Anodenemitters liegt.
Bei dem vierten bis sechsten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leistungsdiode ist der Randabschluss bevorzugt ein JTE-Randabschluss (JTE: Junction Termination Extension). Dieser Randabschluss bildet eine Zone, die eine Dotierung aufweist, die im Bereich der Durchbruchladung liegt.
Ähnlich wie bei dem erfindungsgemäßen als Leistungsthyristor ausgeführten Halbleiterbauelement können bei einem siebten Ausführungsbeispiel, bei dem das Halbleiterbauelement als Leistungsdiode gestaltet ist, mehrere MOS-Feldeffekttransistorstrukturen im Randbereich des Kathodenemitters und/oder des Anodenemitters integriert sein.
Der genannte Randbereich, in dem sich die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur einer erfindungsgemäß gestalteten Leistungsdiode befindet, erstreckt sich bevorzugt in lateraler Richtung von dem Randabschluss der Leistungsdiode aus in den aktiven Bereich derselben vom 1,5- bis zum 3-fachen der Diffusionslänge der Ladungsträger.
Ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement kann gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel als IGBT (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgeführt sein, bei dem die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur im Randbereich des p-Emitters des IGBTs vorgesehen ist.
Gemäß einem achten Ausführungsbeispiel kann ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement auch als RC-IGBT (Reverse Conducting IGBT) gestaltet sein, bei dem die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur in mindestens einem der rückseitigen n-leitenden Kurzschlussbereiche vorgesehen ist.
Ähnlich wie bei dem als Leistungsthyristor gestalteten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement kann bei einem IGBT und bei einem RC-IGBT gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass mehrere MOS-Feldeffekttransistorstrukturen im Randbereich bzw. in den rückseitigen n-leitenden Kurzschlussbereichen liegen.
Die obigen und weitere vorteilhafte Merkmale und Aufgaben werden in der nachstehenden detaillierten Beschreibung noch deutlicher, die sich auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren bezieht. Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
1 einen schematischen Querschnitt durch einen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung bildenden Leistungsthyristor mit lateral strukturiertem Anodenemitter und Kathodenemitter;
2 graphisch eine Plasmaverteilung in dem Thyristor gemäß 1 zwischen der Anode und der Kathode für die beiden Schaltzustände der Gates;
3a–d graphisch den zeitlichen Verlauf der Schalttransienten des in 1 gezeigten Thyristors;
4 einen schematischen Querschnitt eines einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden Leistungsthyristors, bei dem nur der Wirkungsgrad des Anodenemitters steuerbar ist;
5 einen schematischen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Thyristorstruktur mit Freiwerdeschutzfunktion, die durch einen steuerbaren Wirkungsgrad im Anodenemitter des Hauptthyristors realisiert ist; und
6 einen schematischen Querschnitt einer mit einem JTE-Randabschluss versehenen Diode, deren rückseitiger Kathodenemitter im Randbereich mit einem steuerbaren Emitter versehen ist.
Das im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente beschriebene Prinzip der Erfindung besteht darin, Emitter in einem solchen Leistungshalbleiterbauelement so auszulegen, dass durch ein Steuersignal in wenigstens einem lateralen Bereich des Bauelements das Ladungsträgerplasma beim Abschalten effizienter abgebaut wird als im übrigen Bereich. Auf diese Weise lässt sich z.B. in Thyristoren eine Freiwerdeschutzfunktion integrieren oder das Abschaltverhalten von IGBTs, RC-IGBTs und Dioden verbessern.
Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gestalteten Leistungsthyristors weist innerhalb eines lateralen Bereichs I, der z.B. ein Hauptthyristorbereich ist und zum Randbereich (Pfeil R) des Bauelements hin gelegen ist, einen lateral strukturierten Kathodenemitter E_K auf der Kathodenseite K und einen ebenfalls lateral strukturierten Anodenemitter E_A auf der Anodenseite A auf. Dabei ist ein hoch dotierter Bereich a2, k2 jeweils des Anodenemitters E_A und des Kathodenemitters E_K durch einen hohen Emitterwirkungsgrad und eine hohe Barriere für aus dem Halbleiterinneren (n^–-Bereich) abfließende Elektronen bzw. Löcher gekennzeichnet. Diese hoch dotierten Emitterbereiche a2, k2 stehen jeweils direkt mit einem Anodenkontakt C_A und einem Kathodenkontakt C_K in Verbindung. Ein je weils lateral (x-Richtung) daneben liegender schwächer dotierter Emitterteil a1 des Anodenemitters E_A und k1 des Kathodenemitters E_K ist jeweils durch einen geringen Emitterwirkungsgrad und eine entsprechend niedrige Barriere für aus dem Halbleiterinneren abfließende Elektronen bzw. Löcher gekennzeichnet. Diese schwächer dotierten Emitterteile a1 und k1 stehen, wie 1 zeigt, nicht direkt mit dem jeweiligen Anodenkontakt C_A und Kathodenkontakt C_K in Verbindung. Hier weist die laterale x-Richtung zu einem mit einem Pfeil R bezeichneten Randbereich des Leistungsthyristors.
Im jeweils hoch dotierten Teil a2, k2 des Anodenemitters E_A und des Kathodenemitters E_K ist jeweils eine Zone a3, k3 komplementären Leitungstyps eingelagert und mit dem jeweiligen Emitterkontakt C_A und C_K verbunden. Über einer Oxidschicht O, die jeweils teilweise die Zonen a3 und k3 komplementären Leitungstyps, einen Teil der hoch dotierten Emitterbereiche a2 und k2 und die schwächer dotierten Emitterteile a1 und k1 überdeckt, sind jeweils Gateelektroden G_A und G_K einer anodenseitigen MOS-Feldeffekttransistorstruktur FET_A und einer kathodenseitigen MOS-Feldeffekttransistorstruktur FET_K aufgebracht. Durch Anlegen einer Steuerspannung an einen jeweiligen Gatekontakt des anodenseitigen Gates G_A und des kathodenseitigen Gates G_K bildet sich unter dem Oxid O jeweils im schwach dotierten Emitterteil a1 und k1 eine Inversionszone, über die im Anodenemitter E_A Elektronen zu der in den hoch dotierten Anodenemitterbereich a2 eingelagerten Zone a3 komplementären Leitungstyps und damit zum Anodenkontakt C_A abfließen können und über die im Kathodenemitter E_K Löcher aus der Plasmazone zu der im hoch dotierten Kathodenemitterbereich k2 eingelagerten komplementären Zone k3 und damit zum Kathodenkontakt C_K abfließen können. Auf diese Weise ist es durch Anlegen einer Steuerspannung Vga bzw. Vgk an die Gatekontakte der jeweiligen Gates G_A und G_K möglich, Ladungsträger sehr effizient zu einer steuerbaren Zeit aus dem Thyristor zu extrahieren.
Diese Steuerfunktion, welche durch die im Anodenemitter E_A eingebaute MOS-Feldeffekttransistorstruktur FET_A und die im Kathodenemitter E_K der MOS-Feldeffekttransistorstruktur FET_A gegenüber liegend eingebaute kathodenseitige MOS-Feldeffekttransistorstruktur FET_K vermittelt wird, und das zeitliche Übergangsverhalten der Anoden-Kathoden-Spannung Vak und des zwischen Anodenkontakt C_A und Kathodenkontakt C_K fließenden Stroms Iak sind in 3a–3d graphisch dargestellt.
Konkret wird dazu (Zeitpunkt t1 in 3) eine positive Steuerspannung an das anodenseitige Gate G_A und gleichzeitig eine negative Steuerspannung an das Kathodengate G_K angelegt. Dadurch wechselt der noch im Durchlass betriebene Leistungstransistor von einem Zustand hoher Überschwemmungsladung (vgl. 2 die durchgezogene Kurve t1) in einen Zustand geringer Überschwemmungsladung (vgl. 2 gestrichelte Kurve t2). Während dieser Übergangsphase unmittelbar nach dem Zeitpunkt t1 sind die Durchlassverluste des Thyristors erhöht, allerdings ist diese Übergangsphase kurz im Verhältnis zur gesamten Durchlassphase des Thyristors. Nach dem Wechsel in den niedrig überschwemmten Zustand (Zeitpunkt t2 in 3) findet der eigentliche Kommutierungsvorgang statt. Es ist zu bemerken, dass in 3 der zeitliche Verlauf der durch die Erfindung erreichten Schalttransienten des Thyristors gestrichelt eingezeichnet ist, während die entsprechenden herkömmlichen Schalttransienten mit durchgezogene Linien dargestellt sind. Man sieht, dass bei dem erfindungsgemäßen Verlauf deutlich geringere Schaltverluste aufgrund der reduzierten Speicherladung anfallen. Ebenso zeigt der zeitliche Verlauf des Übergangs des Stroms Iak in 3d deutlich, dass die Freiwerdezeit der Thyristoren deutlich erniedrig ist, was für die Anwendung dieser Bauelemente sehr wünschenswert ist.
Vorteilhaft für eine gute Ladungsträgerextraktion ist es, das Flächenverhältnis der jeweils hoch dotierten Emitterzone a2 und/oder k2 zu der schwach dotierten Emitterzone a1 und/oder k1 und die Dotierungskonzentration der schwach dotierten Emitterzone a1 und/oder k1 möglichst gering zu halten. Allerdings darf das Flächenverhältnis a2/a1 und/oder k2/k1 nicht zu klein gewählt werden, da sich sonst die Durchlassspannung zu stark erhöhen würde.
Eine weitere Verbesserung der Abschalteigenschaften lässt sich erzielen, indem für den durch die Steuerspannung an den Gates G_A, G_K jeweils zugeschalteten Emitterteil a1 bzw. k1 ein halbleitendes Material mit einer geringeren Bandlücke gewählt wird, für einen Siliziumthyristor z.B. SiGe mit einem Germaniumanteil von typischerweise 10 bis 30%. Ein solcher Emitter zeichnet sich durch eine geringere Barrierenwirkung aus, wodurch der Minoritätsladungsträgerstrom durch diesen Emitter beim Abschalten entsprechend größer ist und damit das Ladungsträgerplasma im Thyristor noch schneller abgebaut wird.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gestalteten Leistungsthyristors, bei dem nur der Anodenemitter E_A steuerbar ausgelegt ist, die Kathodenstruktur E_K dagegen der eines konventionellen Thyristors mit Emitterkurzschlüssen entspricht.
Es ist zu erwähnen, dass bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel eines als Leistungsthyristor mit steuerbarem Emitterwirkungsgrad gestalteten Halbleiterbauelements die steuerbaren Abschnitte mit der MOS-Feldeffekttransistorstruktur FET_A bzw. FET_K bevorzugt in einem zum Randbereich R des Leistungsthyristors weisenden lateralen Bereich I bzw. dort mit einer höheren Flächendichte vorgesehen sind, wodurch in diesem Bereich I des Leistungsthyristors das Ladungsträgerplasma schneller extrahiert wird als in anderen Bereichen.
Wie bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen noch deutlicher wird, können sowohl im Bereich I des Anodenemitters E_A als auch im gegenüberliegenden Bereich des Kathodenemitters E_K mehrere solcher MOS-Feldeffekttransistorstrukturen FET_A und FET_K jeweils zueinander beabstandet und bevorzugt einander gegenüberliegend gebildet sein.
5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Leistungsthyristors, der lateral einen weiter außen liegenden Hauptthyristorbereich I und einen lateral inneren Amplifying Gatebereich II aufweist und bei dem gemäß der Erfindung eine Freiwerdeschutzfunktion realisiert ist. Dazu ist der Anodenemitter E_A im Hauptbereich I des Hauptthyristors mittels eingelagerter MOS-Feldeffekttransistorstrukturen FET1_A, FET2_A, FET3_A als steuerbarer Emitter ausgelegt. Die genannten MOS-Feldeffekttransistorstrukturen im Anodenemitter E_A des Hauptthyristorbereichs I sind in derselben Weise wie sie z.B. anhand der 1 bis 4 beschrieben wurden, realisiert. Die in den niedrig dotierten Emitterbereichen a1 liegenden hoch dotierten Emitterbereiche a2 mit den darin eingebetteten komplementär dotierten Zonen a3 sind zueinander in lateraler Richtung x beabstandet. Die laterale Richtung x deutet in 5 in Richtung auf den Randbereich R des Bauelements. Zur Realisierung der Freiwerdeschutzfunktion wird während des Abschaltvorgangs eine Steuerspannung an die Anodengates G_A angelegt, so dass sich unterhalb der Gateoxide n-leitende Kanäle ausbilden, über die die Elektronen effizient zur Anode A abfließen können. Damit wird das Ladungsträgerplasma im Hauptthyristorbe reich I schneller abgebaut als im Amplifying Gatebereich II. Auf diese Weise wird gesichert, dass der Leistungsthyristor im Falle eines Spannungspulses in Blockierrichtung während der Freiwerdezeit (das ist die Zeitspanne innerhalb der der Thyristor aufgrund eines noch vorhandenen Restplasmas noch nicht voll blockierfähig ist), wieder durch die Hilfsthyristoren im Bereich II des Amplifying Gates gezündet wird, so dass ein kontrolliertes und sicheres Wiedereinschalten erfolgt. Ohne eine solche Maßnahme würde ein konventionell gefertigter Thyristor unter den genannten Bedingungen üblicherweise im Bereich des Hauptthyristors an der Stelle mit der maximalen Restplasmakonzentration wieder einschalten. In einem solchen Fall besteht die Gefahr, dass der Thyristor dabei zerstört wird, da die Zündausbreitungseigenschaften hier deutlich schlechter sind als beim Einschalten durch die Amplifying Gatestruktur.
Vorteilhafterweise ist der steuerbare Anodenemitter E_A so ausgelegt, dass das Ladungsträgerplasma im Grenzbereich zwischen dem Hauptthyristor I und dem Amplifying Gatebereich II weniger effizient abgebaut wird als im übrigen Bereich I des Hauptthyristors. Auf diese Weise können Ladungsträger aus diesem Grenzbereich in den Amplifying Gatebereich II diffundieren. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Hilfsthyristoren im Amplifying Gatebereich II in der Phase, in der der Hauptthyristor Strom führt, abgeschaltet sind. In diesem Fall bietet sich auch eine Kombination mit einer lateralen Strukturierung der Ladungsträgerlebensdauer an, bei der die Ladungsträger im Amplifying Gatebereich II eine höhere Lebensdauer haben als im Hauptthyristor I. Um die Ladungsträger an der Grenze zwischen dem Amplifying Gatebereich II und dem Hauptthyristorbereich I weniger effizient als in letzterem abzubauen, schlägt die Erfindung vor, den Abstand der hoch dotierten p⁺-Gebiete a2 in diesem Bereich zu vergrößern oder alternativ die Dotierung an der Oberfläche in diesen p⁺-Gebieten a2 zu erhöhen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform schlägt die Erfindung vor, bei dem in 5 gezeigten erfindungsgemäßen Leistungsthyristor den Abstand der hoch dotierten p⁺-Gebiete a2 in dem Grenzbereich zwischen dem Hauptthyristor I und dem Amplifying Gatebereich II kontinuierlich in radialer Richtung, d.h. in x-Richtung zum Randbereich R hin zu verringern. Der genannte Grenzbereich zwischen dem Hauptthyristor I und dem Amplifying Gatebereich II erstreckt sich vorzugsweise in radialer Richtung x über einen Bereich, der dem 1,5-fachen bis 3-fachen der Diffusionslänge der Ladungsträger entspricht. Dies heißt, dass die laterale Länge der niedrig dotierten p-Gebiete a1 in x-Richtung laufend geringer wird, was jedoch in 5 nicht dargestellt ist.
Statt des Anodenemitters E_A wie bei dem in 5 dargestellten Leistungsthyristor lässt sich bei einem derartigen Leistungsthyristor auch der Kathodenemitter des Hauptthyristors steuerbar auslegen. In diesem Falle wird der Kathodenemitter E_K mit einer Struktur versehen, ähnlich wie sie in 5 für den Anodenemitter E_A gezeigt ist. Denkbar ist auch, den Anodenemitter E_A und den Kathodenemitter E_K im Hauptthyristorbereich I jeweils mit einer oder mehreren MOS-Feldeffekttransistorstruktur(en) steuerbar auszulegen, um die Freiwerdeschutzfunktion zu integrieren. Auch hier sind vorteilhafterweise die Emitter im genannten Grenzbereich zwischen dem Amplifying Gatebereich II und dem Hauptthyristorbereich I so ausgelegt, dass das Ladungsträgerplasma in diesem Grenzbereich nicht so schnell abgebaut wird wie im Bereich I des Hauptthyristors.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem das Halbleiterbauelement als Leistungsdiode gestaltet ist. Dabei ist der Kathodenemitter E_K der Diode im Randbereich R mit einer MOS-Feldeffekttransistorstruktur FET_K versehen und damit steuerbar ausgelegt, um auf diese Weise die Ladungsträgerplasmakonzentration im Randbereich R während des Abschaltvorgangs drastisch zu reduzieren.
Alternativ kann dieselbe Maßnahme, d.h. das Einbetten einer MOS-Feldeffekttransistorstruktur auch im Randbereich R des Anodenemitters vorgesehen sein. Mit dieser Maßnahme kann die Robustheit der Diode gesteigert werden. Im aktiven Bereich derselben ist es insbesondere dann, wenn die Anwendung ein so genanntes "weiches" Abschalten erfordert, notwendig, solange Ladungsträger in der Diode für den Stromtransport zur Verfügung zu haben, bis die Diode die angelegte Sperrspannung quasi-stationär aufnehmen kann, da ansonsten unerwünscht hohe Stromabschaltraten auftreten, die in Verbindung mit Streuinduktivitäten zu entsprechenden Überspannungen führen. Daher wird der aktive Bereich der Diode entweder als nicht steuerbarer Bereich ausgelegt, wie in 6 oder mit einer entsprechend modifizierten (nicht gezeigten) MOS-Struktur versehen, die das Ladungsträgerplasma verglichen mit dem Randbereich R weniger effizient extrahiert.
Vorzugsweise wird die Ausdehnung des Randbereichs R in lateraler Richtung so gewählt, dass der steuerbare Bereich neben der Randzone noch einen Teil des aktiven Bereichs (schließt sich in 6 in x-Richtung links an) umfasst, dessen Ausdehnung in lateraler x-Richtung typischerweise das 1,5-fache bis 3-fache der Diffusionslänge L_D der Ladungsträger beträgt (1,5 L_D – 3 L_D).
In analoger Weise lässt sich das Abschaltverhalten eines IGBTs verbessern, indem der Randbereich des Anodenemitters entsprechend steuerbar ausgelegt wird. Entsprechend bedeutet, dass die beim IGBT getroffenen Maßnahmen analog den zuvor bezogen auf die 1 bis 6 für die als Leistungsthyristor und Leistungsdiode gestalteten Ausführungsbeispiele besprochenen Maßnahmen sind.
Beim RC-IGBT lässt sich das Abschaltverhalten der durch den p-leitenden Bodybereich, das n^–-Substrat und die rückseitigen n-leitenden Kurzschlussbereiche gebildeten Diode verbessern, indem eine oder mehrere MOS-Feldeffekttransistorstrukturen in die n-leitenden Kurzschlussbereiche integriert wird bzw. werden.
Zusammengefasst gibt die Erfindung ein Halbleiterbauelement an, das Schichten unterschiedlichen Leitungstyps und mindestens eine Emitterschicht mit wenigstens einer darin eingelagerten MOS-Feldeffekttransistorstruktur aufweist, durch die mittels einer an eine Gateelektrode derselben angelegten Steuerspannung die Emitterwirksamkeit im Betrieb des Halbleiterbauelements steuerbar ist, um den Abbau des Ladungsträgerplasmas beim Abschalten des Halbleiterbauelements zu beschleunigen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gateelektrode der wenigstens einen MOS-Feldeffekttransistorstruktur in lateraler Richtung bis zu einer Zone mit einem zum Leitungstyp des jeweiligen Emitters komplementären Leitungstyp reicht, die in einem lateral begrenzten, hochdotierten Emitterbereich angeordnet ist, so dass durch eine Steuerspannung an der Gateelektrode der MOS-Feldeffekttransistorstruktur die Emitterinjektions- und Barriereneigenschaften in unterschiedlichen Bereichen des Halbleiterbauelements unterschiedlich einstellbar sind.
Auf diese Weise lässt sich z.B. in Thyristoren eine Freiwerdeschutzfunktion integrieren oder das Abschaltverhalten von Dioden, IGBTs und RC-IGBTs verbessern.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist auch bei Halbleiterbauelementen anwendbar, deren Leitungstypen gegenüber den in den Figuren gezeigten und oben beschriebenen jeweils invertiert sind.

A: Anode, Anodenseite
K: Kathode, Kathodenseite
C_A, C_K: Anodenkontakt, Kathodenkontakt
E_A, E_K: Anodenemitter, Kathodenemitter
FET_A, FET_K, FET1_A, FET2_A, FET3_A: MOS-Feldeffekttransistorstrukturen
G_A, G_K: Anodengate, Kathodengate
a1, a2: unterschiedlich dotierte p-Bereiche des Anodenemitters
k1, k2: unterschiedlich dotierte n-Bereiche des Kathodenemitters
a3, k3: Zonen komplementären Leitungstyps im hoch dotierten Bereich jeweils des Anodenemitters und des Kathodenemitters
O: Oxidschicht
R: Randbereich
x: Lateralrichtung bzw. radiale Richtung
y: Dickenrichtung
t1, t2: Zeitpunkte beim Abschalten
Vga, Vgk: Steuerspannung jeweils am Anodengate und am Kathodengate
Vak: Anoden-Kathoden-Spannung
Iak: Strom zwischen Anode und Kathode
I: Hauptthyristorbereich
II: Amplifying Gatebereich
L_D: Diffusionslänge der Ladungsträger

Claims

Halbleiterbauelement, das Schichten unterschiedlichen Leitungstyps und mindestens eine Emitterschicht (E_A, a₁, a₂; E_K, n₁, n₂) mit wenigstens einer darin eingelagerten MOS-Feldeffekttransistorstruktur (FET_A, FET_K) aufweist, durch die mittels einer an eine Gateelektrode (G_A, G_K) derselben angelegten Steuerspannung die Emitterwirksamkeit im Betrieb des Halbleiterbauelements steuerbar ist, um den Abbau des Ladungsträgerplasmas beim Abschalten des Halbleiterbauelements zu beschleunigen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (G_A, G_K) der wenigstens einen MOS-Feldeffekttransistorstruktur (FET_A, FET_K) über der Emitterschicht (E_A, a₁, a₂; E_K, n₁, n₂) liegt und in lateraler Richtung (x) bis zu einer Zone (a3, k3) mit einem zum Leitungstyp des jeweiligen Emitters (E_A, E_K) komplementären Leitungstyp reicht, die in einem lateral begrenzten, hochdotierten Bereich (a2, k2) der Emitterschicht (E_A, a₁, a₂; E_K, n₁, n₂) angeordnet ist, so dass durch eine Steuerspannung an der Gateelektrode (G_A, G_K) der MOS-Feldeffekttransistorstruktur (FET_A, FET_K) die Emitterinjektions- und Barriereneigenschaften in lateral unterschiedlichen Bereichen (R, I, II) des Halbleiterbauelements unterschiedlich einstellbar sind.
Leistungsthyristor nach Anspruch 1 mit einem Hauptthyristorbereich (I) und einem Amplifying Gatebereich (II), dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (I) des Hauptthyristors die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur (FET_A) im Anodenemitter (E_A) aufweist.
Leistungsthyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenemitter (E_A) mehrere lateral voneinander beabstandete Feldeffekttransistorstrukturen (FET1_A, FET2_A, FET3_A) vorgesehen sind.
Leistungsthyristor nach Anspruch 1 mit einem Hauptthyristorbereich (I) und einem Amplifying Gatebereich (II), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur (FET_K) im Kathodenemitter (E_K) liegt.
Leistungsthyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenemitter (E_K) mehrere lateral voneinander beabstandete MOS-Feldeffekttransistorstrukturen aufweist.
Leistungsthyristor nach Anspruch 1 mit einem Hauptthyristorbereich (I) und einem Amplifying Gatebereich (II), dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorbereich (FET_A, FET_K) im Anodenemitter (E_A) und im Kathodenemitter (E_K) gebildet ist.
Leistungsthyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenemitter (E_A) mehrere MOS-Feldeffekttransistorstrukturen (FET1_A, FET2_A, FET3_A) und im Kathodenemitter (E_K) ebenfalls mehrere MOS-Feldeffekttransistorstrukturen gebildet sind.
Leistungsthyristor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Position der MOS-Feldeffekttransistorstrukturen (FET_A, FET_K) und der hoch dotierten Emitterbereiche (a2, k2) jeweils im Anodenemitter (E_A) und im Kathodenemitter (E_K) einander gegenüberliegen.
Leistungsthyristor nach einem der Ansprüche 3, 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Abstand zwischen den hoch dotierten Bereichen (a2) des Anodenemitters (E_A) und/oder der hoch dotierten Bereiche (k2) des Kathodenemitters (E_K) in einem Grenzbereich zwischen dem Amplifying Gatebereich (II) und dem Hauptthyristorbereich (I) vergrößert ist.
Leistungsthyristor nach einem der Ansprüche 3, 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der laterale Abstand der hoch dotierten Bereiche (a2) im Anodenemitter (E_A) und der hoch dotierten Bereiche (k2) im Kathodenemitter (E_K) im Grenzbereich zwischen Amplifying Gatebereich (II) und dem Hauptthyristorbereich (I) in radialer Richtung (x) des Bauelements nach außen kontinuierlich verringert.
Leistungsthyristor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzbereich zwischen dem Amplifying Gatebereich (II) und dem Hauptthyristor (I) in lateraler Richtung (x) vom 1,5-fachen bis zum 3-fachen der Diffusionslänge der Ladungsträger reicht.
Leistungsthyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Hauptthyristorbereich (I) als auch im Amplifying Gatebereich (II) ein oder mehrere MOS-Feldeffekttransistorstrukturen (FET_A, FET_K) gebildet sind, wobei der laterale Abstand der hoch dotierten Bereiche im Bereich II größer ist als im Bereich I.
Leistungsdiode nach Anspruch 1 mit einem Randabschluss, bei der die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur (FET_K) im Randbereich (R) eines rückseitigen Kathodenemitters (E_K) vorgesehen ist.
Leistungsdiode nach Anspruch 1 mit einem Randabschluss, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistor im Randbereich eines Anodenemitters vorgesehen ist.
Leistungsdiode nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich eines rückseitigen Kathodenemitters eine erste MOS-Feldeffekttransistorstruktur (FET_K) und im Randbereich eines Anodenemitters eine zweite MOS-Feldeffekttransistorstruktur (FET_A) einander gegenüberliegen.
Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Randabschluss ein JTE-Randabschluss ist.
Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere MOS-Feldeffekttransistorstrukturen im Randbereich (R) des Kathodenemitters (E_K) und/oder des Anodenemitters vorgesehen sind.
Leistungsdiode nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Randbereich (R) mit der mindestens einen MOS-Feldeffekttransistorstruktur (FET_K) in lateraler Richtung von dem Randabschluss der Leistungsdiode aus in den aktiven Bereich derselben über eine Distanz erstreckt, die vom 1,5-fachen bis zum 3-fachen der Diffusionslänge der Ladungsträger reicht.
IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine MOS-Feldeffekttransistor im Randbereich des p-Emitters vorgesehen ist.
RC-IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine MOS-Feldeffekttransistorstruktur in mindestens einem der rückseitigen n-leitenden Kurzschlussbereiche liegt.