-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Bauelementanordnung mit einem
Leistungshalbleiterbauelement, das eine Driftzone und eine benachbart
zu der Driftzone angeordnete, dielektrisch gegenüber der
Driftzone isolierte Driftsteuerzone aus einem Halbleitermaterial
aufweist, die bei leitend angesteuertem Bauelement zur Steuerung
eines leitenden Kanals in der Driftzone dient.
-
Ein
solches neuartiges Leistungsbauelement ist in der noch nicht veröffentlichten
internationalen Anmeldung
PCT/EP
2006/007450 der Anmelderin beschrieben.
-
Zur
Ausbildung eines leitenden Kanals in der Driftzone, werden Ladungsträger
in der Driftsteuerzone benötigt, die bei einem als MOS-Transistor
realisierten Bauelement aus einem Ansteuerstromkreis bzw. Gate-Stromkreis
des Transistors geliefert werden können. Dies kann allerdings
zu erheblich größeren Gateströmen als
bei MOS-Transistoren ohne Driftsteuerzone führen, so dass
herkömmliche Gate-Treiberschaltungen, deren Stromergiebigkeit für
die Ansteuerung von Leistungshalbleiterbauelementen ohne Driftsteuerzone
ausgelegt ist, bei diesen neuartigen Leistungsbauelementen unter
Umständen nicht mehr einsetzbar sind. Darüber
hinaus können Ladungsträger aus dem Ansteuerstromkreis erst
bei einer ersten leitenden Ansteuerung des MOS-Transistors in die
Driftsteuerzone fließen, so dass zu Beginn der leitenden
Ansteuerung des MOS-Transistors noch nicht ausreichend Ladungsträger
in der Driftsteuerzone zur Verfügung stehen, um einen leitenden
Kanal in der Driftzone auszubilden. Ein niedriger Einschaltwiderstand,
der solche Bauelemente grundsätzlich auszeichnet, wird
daher erst zeitverzögert erreicht.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bauelementanordnung mit
einem Leistungshalbleiterbauelement, das eine Driftzone und eine Driftsteuerzone
aufweist, zur Verfügung zu stellen, bei der eine durch
die Driftsteuerzone bewirkte Verringerung des Einschaltwiderstandes
bereits bei einer ersten leitenden Ansteuerung des Leistungshalbleiterbauelements
erreicht wird.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Bauelementanordnung nach Anspruch 1 gelöst.
Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die
Bauelementanordnung umfasst bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer Driftzone,
die zwischen einer ersten und einer zweiten Bauelementzone angeordnet
ist, und mit einer Driftsteuerzone aus einem Halbleitermaterial,
die benachbart zu der Driftzone angeordnet ist und die durch eine
Dielektrikumsschicht gegenüber der Driftzone dielektrisch isoliert
ist, eine kapazitive Speicheranordnung, die an die Driftsteuerzone
angeschlossen ist, und eine Ladeschaltung, die zwischen die erste
Bauelementzone und die kapazitive Speicheranordnung geschaltet ist.
-
Eine
elektrische Ladung, die in der Driftsteuerzone zur Steuerung eines
leitenden Kanals in der Driftzone vorhanden sein muss, wird bei
dieser Bauelementanordnung in der kapazitiven Speicheranordnung
zwischengespeichert und wird während eines Betriebs des
Bauelements über die Ladeschaltung aus einem elektrischen
Potential an der ersten Bauelementzone, die Teil der Laststrecke
des Leistungshalbleiterbauelements ist, bereitgestellt. Die elektrische
Ladung für die Steuerung des leitenden Kanals in der Driftzone
wird somit aus einem Lastkreis bezogen, in den die Laststrecke des
Leistungshalbleiterbauelements während des Betriebs geschaltet
ist, und steht kurz nach Anlagen einer Versorgungsspannung an das
Leistungshalbleiterbauelement zur Verfügung.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher
erläutert.
-
1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Bauelementanordnung, die ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer
Driftzone und einer Driftsteuerzone, eine kapazitive Ladungsspeicheranordnung
und eine Ladeschaltung für die kapazitive Ladungsspeicheranordnung
aufweist.
-
2 zeigt
ein elektrisches Ersatzschaltbild der Bauelementanordnung gemäß 1.
-
3 veranschaulicht
die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Bauelementanordnung
der 1 und 2 anhand zeitlicher Signal-
und Spannungsverläufe.
-
4 zeigt
eine Alternative für eines der in dem Ersatzschaltbild
gemäß 2 dargestellten Bauelemente.
-
5 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Bauelementanordnung anhand des elektrischen Ersatzschaltbildes.
-
6 zeigt Alternativen für einen
in 5 dargestellten kapazitiven Spannungsteiler.
-
7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Bauelementanordnung mit einer gegenüber der Driftsteuerzone
gemäß 1 abgewandelten Driftsteuerzone.
-
8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Bauelementanordnung, die ein als Leistungsdiode ausgebildetes Leistungshalbleiterbauelement
aufweist.
-
9 veranschaulicht
eine mögliche Realisierung eines selbstleitenden Transistors
der Ladeschaltung in einem Halbleiterkörper des Leistungshalbleiterbauelements.
-
10 veranschaulicht
eine weitere mögliche Realisierung des selbstleitenden
Transistors der Ladeschaltung in dem Halbleiterkörper des
Leistungshalbleiterbauelements.
-
In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Bauelemente, Bauelementbereiche und Signale mit gleicher
Bedeutung.
-
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Bauelementanordnung, die ein Leistungshalbleiterbauelement 10 mit
einer Driftzone 11 und einer Driftsteuerzone 21 aus
einem Halbleitermaterial, eine an die Driftsteuerzone 21 angeschlossene
kapazitive Ladungsspeicheranordnung 50 sowie eine Ladeschaltung
für die kapazitive Speicheranordnung 50 aufweist.
Das Leistungshalbleiterbauelement ist in 1 schematisch
in einem Schnittbild dargestellt, das einen Querschnitt durch einen
Halbleiterkörper 100 zeigt, in dem Halbleiterbauelementbereiche
des Leistungshalbleiterbauelements 10 integriert sind.
Die kapazitive Speicheranordnung 50 und die Ladeschaltung 30 sind
in 1 anhand ihrer elektrischen Ersatzschaltbilder
dargestellt.
-
Die
Driftzone 11 ist bei dem in 1 dargestellten
Leistungshalbleiterbauelement 10 Teil einer MOS-Transistorstruktur
und in einer Stromflussrichtung r1 zwischen einer ersten Bauelementzone 12 und
einer zweiten Bauelementzone 14 in dem Halbleiterkörper 100 angeordnet.
Die erste Bauelementzone 12 ist bei der dargestellten MOS-Transistorstruktur
eine Drainzone, die zweite Bauelementzone 14 ist eine Bodyzone,
an die sich in der Stromflussrichtung r1 an einer der Driftzone 11 abgewandten Seite
eine Sourcezo ne 17 anschließt. Zur Steuerung eines
leitenden Kanals in der Bodyzone 14 zwischen der Sourcezone 17 und
der Driftzone 11 ist eine Gateelektrode 18 vorhanden,
die benachbart zu der Bodyzone 14 angeordnet ist und die
durch ein Gatedielektrikum 19 dielektrisch gegenüber
der Bodyzone 14 isoliert ist.
-
Die
Drainzone 12 ist durch eine Drainelektrode 13 kontaktiert
und die Sourcezone 17 ist durch eine Sourceelektrode 16 kontaktiert,
die darüber hinaus die Bodyzone 14 kontaktiert
und dadurch die Sourcezone 17 und die Bodyzone 14 kurzschließt. Die
Sourceelektrode 16 ist in dem dargestellten Beispiel über
eine höher als die Bodyzone 14 dotierte Anschlusszone 15 an
die Bodyzone 14 angeschlossen.
-
Die
dargestellte Transistorstruktur ist eine Transistorstruktur eines
selbstsperrenden n-MOSFET. Die Sourcezone 17, die Driftzone 11 und
die Drainzone 12 sind hierbei n-dotiert und komplementär
dotiert zu der p-dotierten Bodyzone 14. Die Gateelektrode 18 dient
bei diesem Bauelement zur Steuerung eines Inversionskanals in der
Bodyzone 14 zwischen der Sourcezone 17 und der
Driftzone 11. Die dargestellte Transistorstruktur ist darüber
hinaus eine vertikale Transistorstruktur; die Drainzone 12, die
Driftzone 11, die Bodyzone 14 und die Sourcezone 17 sind
hierbei in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 benachbart
zueinander angeordnet. Diese vertikale Richtung des Halbleiterkörpers 100 entspricht
in dem dargestellten Beispiel der Stromflussrichtung r1, in der
die Driftzone 11 bei leitend angesteuertem Bauelement in
noch zu erläuternder Weise von einem Strom durchflossen
wird. Die dargestellte Transistorstruktur ist eine Trench-Transistorstruktur.
Die Gateelektrode 18 erstreckt sich hierbei ausgehend von
einer ersten Seite 101 des Halbleiterkörpers 100,
die nachfolgend als Vorderseite bezeichnet wird, in einer vertikalen
Richtung in den Halbleiterkörper hinein und reicht – jeweils
isoliert durch das Gatedielektrikum 19 – von der Sourcezone 17 über
die Bodyzone 14 bis in die Driftzone 11.
-
In
einer von der Stromflussrichtung r1 abweichenden Richtung r2, die
in 1 zu Zwecken der Erläuterung senkrecht
zu der Stromflussrichtung r1 verläuft, ist eine aus einem
Halbleitermaterial, insbesondere einem einkristallinen Halbleitermaterial,
bestehende Driftsteuerzone 21 benachbart zu der Driftzone 11 angeordnet.
Diese Driftsteuerzone 21 ist mittels eines Driftsteuerzonendielektrikums 29 dielektrisch
gegenüber der Driftzone 11 isoliert und weist
in dem dargestellten Beispiel zwei Anschlüsse bzw. Anschlusselektroden,
nämlich eine erste Anschlusselektrode 23 und eine
zweite Anschlusselektrode 26 auf die die Driftsteuerzone 21 in
der Stromflussrichtung r1 an jeweils gegenüberliegenden
Enden kontaktieren. Optional sind zwischen den Anschlusselektroden 23, 26 und
der Driftsteuerzone 21 höher als die Driftsteuerzone 21 dotierte
Anschlusszonen 22, 27 angeordnet, die für
einen niederohmigen Kontakt zwischen den Anschlusselektroden 23, 26 und
der Driftsteuerzone 21 sorgen.
-
Die
Driftsteuerzone 21 ist in dem dargestellten Beispiel über
ein Gleichrichterelement 41, beispielsweise eine Diode,
an die Drainzone 12 angeschlossen. Dieses Gleichrichterelement 41 ist
so verschaltet, dass das elektrische Potential in der Driftsteuerzone 21 über
den Wert eines elektrischen Potentials der Drainzone 12 ansteigen
kann, dass das elektrische Potential in der Driftzonesteuerzone 21 jedoch
nicht oder nur um einen definierten Wert, in dem Beispiel die Durchlassspannung
der Diode 41, unter das elektrische Potential der Drainzone 12 absinken
kann.
-
Die
kapazitive Ladungsspeicheranordnung 50 ist an den zweiten
Anschluss 26 der Driftsteuerzone 21 angeschlossen
und in dem Beispiel als Kondensator 50 realisiert, der
zwischen diese zweite Anschlusszone 26 und die Sourcezone 17 bzw.
die Bodyzone 14 des Leistungshalbleiterbauelements bzw. Leistungstransistors
geschaltet ist.
-
Die
Ladeschaltung 30 für die kapazitive Ladungsspeicheranordnung 50 ist
zwischen die Drainzone 12 und einen der Driftsteuerzone 21 zugewandten
Anschluss der kapazitiven Ladungsspeicheranordnung 50 geschaltet.
Diese Ladeschaltung 30 umfasst in dem dargestellten Beispiel
einen selbstleitenden Transistor 31 mit einer Laststrecke
und einem Steueranschluss sowie ein Gleichrichterelement 32, beispielsweise
eine Diode. Eine Reihenschaltung mit der Laststrecke des selbstleitenden
Transistors 31 und der Diode 32 ist hierbei zwischen
die Drainzone 12 und die kapazitive Ladungsspeicheranordnung 50 geschaltet.
Ein Ansteuerung des selbstleitenden Transistors 31 erfolgt
abhängig von einer elektrischen Spannung V50 über
dem Kondensator der kapazitiven Ladungsspeicheranordnung 50.
Der Steueranschluss des selbstleitenden Transistors 31 ist
in dem dargestellten Beispiel hierzu an den der Driftsteuerzone 21 abgewandten
Anschluss des Kondensators bzw. an die Source- und Bodyzone 17, 14 angeschlossen.
-
Die
Driftsteuerzone 21 dient bei dem dargestellten Leistungshalbleiterbauelement 10 in
noch zu erläuternder Weise zur Steuerung eines leitenden Kanals
in der Driftzone 11 entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 29.
Diese Driftsteuerzone 21 bewirkt hierbei eine Verringerung
des Einschaltwiderstandes des Leistungshalbleiterbauelements 10 im Vergleich
zu Leistungshalbleiterbauelementen 10, die eine Driftzone
gleicher Dotierung jedoch keine Driftsteuerzone aufweisen. Alternativ
ermöglicht die Driftsteuerzone 21 eine Verringerung
der Dotierungskonzentration der Driftzone 11, und damit
eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit der MOS-Transistorstruktur
bei gleichem Einschaltwiderstand.
-
Das
Leistungshalbleiterbauelement 10 kann zellenartig aufgebaut
sein, kann also eine Vielzahl gleichartig aufgebauter und parallel
geschalteter Transistorstrukturen mit jeweils einer benachbart zur Driftzone
einer Transistorstruktur angeordneten Driftsteuerzone aufweisen.
Ein derartiger Aufbau mit einer Vielzahl gleichartiger Strukturen
ist in 1 ge strichelt angedeutet. Die Zellen können
insbesondere als sogenannte Streifenzellen realisiert sind, die
in 1 dargestellten Bauelementstrukturen sind in einer
Richtung senkrecht zu der dargestellten Zeichenebene dann langgestreckt
ausgebildet.
-
Die
Zellen können darüber hinaus auch als polygonale,
beispielsweise quadratische oder hexagonale Zellen realisiert sein.
Die Driftzonen besitzen hierbei einen polygonalen Querschnitt und
sind in der senkrecht zu der dargestellten Zeichenebene verlaufenden
Ebene von der Driftsteuerzone umgeben.
-
Ein
elektrisches Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten
Bauelementanordnung mit dem Leistungshalbleiterbauelement 10,
der kapazitiven Ladungsspeicheranordnung 50 sowie der Ladeschaltung 30 ist
in 2 dargestellt. Das Leistungshalbleiterbauelement 10 mit
der MOS-Transistorstruktur und der benachbart zu der Driftzone 11 angeordneten
Driftsteuerzone ist in 2 als Reihenschaltung eines
selbstsperrenden MOSFET T1 und eines selbstleitenden MOSFET T2 dargestellt.
Der selbstsperrende MOSFET T1 repräsentiert hierbei die Transistorstruktur
mit der Sourcezone 17, der Bodyzone 14 und der
Gateelektrode 18. Das Bezugszeichen Rg in 2 bezeichnet
einen Gatewiderstand des selbstsperrenden Transistors, der unvermeidlich vorhandene
Leitungswiderstände berücksichtigt. Der selbstleitende
MOSFET T2 repräsentiert die Driftzone 11, deren
Leitfähigkeitsverhalten durch die Driftsteuerzone 21 gesteuert
ist. Ein Steueranschluss des JFET entspricht hierbei dem zweiten
Anschluss 26 der Driftsteuerzone 21. Die Driftsteuerzone
ist in diesem Schaltbild durch einen weiteren selbstleitenden MOSFET
repräsentiert, dessen Laststrecke über die Diode 14 an
die Drainzone des Leistungstransistors angeschlossen ist.
-
Das
Ersatzschaltbild in 2 enthält zwei weitere
optionale Bauelemente 34, 35, deren Funktionsweise
nachfolgend noch erläutert werden wird.
-
Die
Funktionsweise des bislang erläuterten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Bauelementanordnung wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 sowie
unter Bezugnahme auf 3 erläutert. 3 zeigt
zeitliche Verläufe einer Ansteuerspannung bzw. einer Gate-Source-Spannung
Vgs der MOS-Transistorstruktur, einer Spannung V50 über
der kapazitiven Ladungsspeicheranordnung 50, sowie einer
Laststreckenspannung bzw. Drain-Source-Spannung der MOS-Transistorstruktur.
Zu Zwecken der Erläuterung wird hierbei angenommen, dass
die Laststrecke bzw. Drain-Source-Strecke der MOS-Transistorstruktur
in Reihe zu einer Last Z zwischen Klemmen für ein erstes
Versorgungspotential bzw. positives Versorgungspotential Vund ein
zweites Versorgungspotential, bzw. negatives Versorgungspotential
oder Bezugspotential GND, geschaltet ist.
-
Die
zeitliche Darstellung in 3 beginnt zu einem Zeitpunkt
t0. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass zu
diesem Zeitpunkt t0 Versorgungspotentiale V, GND an die Versorgungspotentialklemmen
angelegt werden, bzw. dass eine Versorgungsspannung zwischen diesen
Versorgungspotentialklemmen angelegt wird, wobei das erste Versorgungspotential
wie dargestellt zum Zeitpunkt t0 mit endlicher Flankensteilheit
ansteigt. Mit Anlegen dieser Versorgungsspannung fließt
ein Strom über den selbstleitenden Transistor 31 und
die Diode 32 auf den Speicherkondensator 50, die
in Reihe zueinander und parallel zur Laststrecke D-S des Leistungshalbleiterbauelements 10 geschaltet
sind. Die Spannung über dem Speicherkondensator 50 steigt
hierbei soweit an, bis eine Ansteuerspannung V31 des selbstleitenden
Transistors 31 den Wert der Abschnürspannung (Pinch-Off-Spannung)
des selbstleitenden Transistors 31 erreicht. Der dargestellte selbstleitende
Transistor 31 ist ein n-leitender Transistor der bei einer
negativen Ansteuerspannung bzw. Gate-Source-Spannung V31 abschnürt.
Ein Source-Anschluss dieses selbstleitenden Transistors 31 ist
hierbei über die Diode 32 an den der Driftsteuerzone
zuge wandten Anschluss des Speicherkondensators 50 angeschlossen,
und der Steueranschluss bzw. Gateanschluss des selbstleitenden Transistors 31 ist
an den der Driftsteuerzone abgewandten Anschluss des Speicherkondensators 50 angeschlossen.
Der Transistor 31 sperrt, wenn die Summe aus der Durchlassspannung
V32 der Diode 32 und der über dem Speicherkondensator 50 anliegenden
Spannung V50 betragsmäßig den Wert der Abschnürspannung
erreicht. Über dem Speicherkondensator 50 stellt
sich dann eine Spannung V50 ein, die dieser Abschnürspannung – die
in 3 mit Vp bezeichnet ist – abzüglich
der Durchlassspannung V32 der Diode 32 entspricht. Bedingt
durch den Ladevorgang des Speicherkondensators 50 steigt
die Laststreckenspannung Vds des zunächst sperrend angesteuertem
Leistungshalbleiterbauelements 10 nicht unmittelbar sondern
entsprechend der Ladekurve des Speicherkondensators 50 auf
den Wert der Versorgungsspannung Van, was ebenfalls in 3 dargestellt
ist. Der Ladestrom des Speicherkondensators 50 wird dabei
im Wesentlichen durch den Einschaltwiderstand des selbstleitenden
Transistors 31 begrenzt.
-
Zu
einem Zeitpunkt t1 wird das Leistungshalbleiterbauelement 10 leitend
angesteuert. Hierzu wird an die Gateelektrode 18 ein geeignetes
elektrisches Potential bzw. eine geeignete Gate-Source-Spannung
Vgs angelegt, durch welche sich entlang des Gatedielektrikums 19 ein
Inversionskanal in der Bodyzone 14 ausbildet. Dieser Inversionskanal ermöglicht
einen Elektronenfluss von der Sourcezone 17 über
den Inversionskanal in der Bodyzone 14 und die Driftzone 11 zur
Drainzone 12, wodurch der elektrische Widerstand der Laststrecke
abnimmt und die anliegende Drain-Source-Spannung Vds somit abnimmt.
Gleichzeitig fließen mit beginnender Ansteuerung der MOS-Transistorstruktur
zuvor in dem Speicherkondensator 50 gespeicherte Ladungsträger
in die Driftsteuerzone 21, die die Driftsteuerzone 21 gegenüber
der Driftzone 11 positiv aufladen.
-
Die
Diode 41 zwischen der Driftsteuerzone 21 und der
Drainzone 12 verhindert hierbei, dass die positiven Ladungsträger
aus der Driftsteuerzone 21 in Richtung des Drainanschlusses
D abfließen. Die Spannungsfestigkeit dieser Diode 41 begrenzt
dabei die Spannung, um welche das elektrische Potential der Driftsteuerzone 21 bei
leitend angesteuertem Bauelement oberhalb des elektrischen Potentials
der Drainzone 12 bzw. der Driftzone 11 liegen
kann. Diese Spannungsfestigkeit kann insbesondere so gewählt
werden, dass sie größer ist als die Spannung, auf
der welche der Speicherkondensator 50 während des
Betriebs des Bauelements maximal aufgeladen wird. Die Diode 41 verhindert
dann grundsätzlich, dass positive Ladung aus der Driftsteuerzone 21 in Richtung
des Drainanschlusses D abfließen kann. Die in Reihe zu
der Laststrecke des selbstleitenden Transistors 31 geschaltete
Diode ist so verschaltet, dass sie ein Abfließen von Ladungsträgern
aus dem Speicherkondensator 50 über den selbstleitenden Transistor 31 an
Drainpotential D verhindert.
-
Die
bei leitend angesteuertem Leistungshalbleiterbauelement 10 in
der Driftsteuerzone 21 vorhandene positive Ladung bewirkt
die Ausbildung eines Akkumulationskanals in der Driftzone 11 entlang
des Driftsteuerzonendielektrikums 29. Dieser Akkumulationskanal
führt in bereits erläuterter Weise zu einer Verringerung
des Einschaltwiderstandes des Leistungshalbleiterbauelements oder
ermöglicht bei gleichem Einschaltwiderstand eine niedrigere
Dotierung der Driftsteuerzone und damit eine Erhöhung der
Spannungsfestigkeit.
-
Ein
in 3 dargestelltes Absinken der Spannung V50 über
dem Speicherkondensator bei Einschalten des Leistungshalbleiterbauelements
resultiert aus einem Abfluss elektrischer Ladung aus dem Speicherkondensator 50 in
die Driftsteuerzone 21 bzw. auf eine Driftsteuerzonenkapazität,
die durch die Driftsteuerzone 21, das Driftsteuerzonendielektrikum 29 und
die Driftzone 11 gebildet wird.
-
Die
zur Ausbildung des Akkumulationskanals in der Driftsteuerzone 21 erforderliche
elektrische Ladung steht bei der erfindungsgemäßen
Bauelementanordnung bereits kurz nach Anlegen einer Versorgungsspannung,
und damit üblicherweise deutlich vor einer ersten leitenden
Ansteuerung des Leistungshalbleiterbauelements 10, zur
Verfügung. Das elektrische Potential, um welches die Driftsteuerzone 21 über
dem elektrischen Potential der Driftzone 11 liegt, kann
bei dieser Bauelementanordnung über die Abschnürspannung
des selbstleitenden Transistors 31 der Ladeschaltung 30 eingestellt
werden. Dieses elektrische Potential kann insbesondere so eingestellt
werden, dass es oberhalb des Gatepotentials bei leitender Ansteuerung
des Leistungshalbleiterbauelements liegt. Da bei der erfindungsgemäßen
Bauelementanordnung über die Abschnürspannung
des selbstleitenden Transistors 31 eine sehr hohe Kondensatorspannung
V50, und damit eine hohe Potentialdifferenz zwischen dem elektrischen Potential
der Driftsteuerzone 21 und der Driftzone 11 bei
leitendem Bauelement einstellbar sind, ergibt sich zum Einen ein
ausgeprägter Akkumulationseffekt, und damit eine wirksame
Reduktion des Einschaltwiderstandes. Zum Anderen kann mit steigender
Potentialdifferenz bei gleichem Akkumulationseffekt ein dickeres
Driftsteuerzonendielektrikum 29 verwendet werden. Ein solches
dickeres Driftsteuerzonendielektrikum ist einfacher herstellbar
und robuster als ein dünnes Dielektrikum.
-
Wird
das Bauelement sperrend angesteuert, was in 3 durch
eine fallende Flanke der Ansteuerspannung Vgs zum Zeitpunkt t2 dargestellt
ist, so wird der Inversionskanal in der Bodyzone 14 unterbrochen
und ausgehend von einem pn-Übergang zwischen der Bodyzone 14 und
der komplementär dazu dotierten Driftzone 11 breitet
sich eine Raumladungszone in Richtung der Drainzone 12 in
der Driftzone 11 aus. Die Raumladungszone breitet sich
mit zunehmender Laststreckenspannung Vds weiter in Richtung der
Drainzone 12 aus.
-
Bei
sperrend angesteuertem Bauelement steigt das Drainpotential im Vergleich
zum Sourcepotential an. Entsprechend steigt bedingt durch die Diode 41 das
elektrische Potential in der Driftsteuerzone 21 gegenüber
dem Sourcepotential an. Die bei leitend angesteuertem Bauelement
aus dem Speicherkondensator 50 in die Driftsteuerzone 21 geflossenen
positiven Ladungsträger werden dadurch zurück in
den Speicherkondensator 50 verschoben. Eine Spannung V50 über
dem Speicherkondensator 50 steigt hierdurch auf den ursprünglichen
Spannungswert vor Einschalten des Leistungshalbleiterbauelements
an. Steigt das Drainpotential weiter an, nachdem die Spannung V50 über
dem Speicherkondensator 50 ihren ursprünglichen
Wert erreicht hat, so beginnt sich in der Driftsteuerzone 21 eine
Raumladungszone zwischen den beiden Anschlusszonen 22, 27 auszubilden,
innerhalb der das elektrische Potential in der Driftsteuerzone 21 in
vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 in
Richtung der Vorderseite 101 zunimmt. Die Driftsteuerzone 21 ist
hierbei ausreichend niedrig dotiert, dass sich eine solche Raumladungszone
ausbreiten kann. Die Ausbreitung einer solchen Raumladungszone wird
dadurch unterstützt, dass die auf Sourcepotential liegende
Bodyzone 14 und deren Anschlusszone über das Driftsteuerzonendielektrikum 29 an
die Driftsteuerzone gekoppelt sind. Der obere Bereich der Driftsteuerzone
wirkt in Verbindung mit der Bodyzone 14, 15 hierbei
als selbstleitender Transistor, der bei ansteigendem Potential in
der Driftsteuerzone 21 sperrt.
-
Bei
sperrend angesteuerter MOS-Transistorstruktur steigt das elektrische
Potential in der Driftzone 11 ausgehend von der Drainzone 12 in
Richtung des pn-Übergangs an. Ein entsprechender Spannungsanstieg
in der Driftsteuerzone 21 bedingt durch eine sich in der
Driftsteuerzone 21 ausbreitende Raumladungszone verringert
den Spannungsabfall über dem Driftsteuerzonendielektrikum 29 im
Vergleich zu einem theoretischem Fall, bei dem die gesamte Driftsteuerzone 21 auf
Drainpotential liegt. Je dicker das Driftsteuerzonendielektrikum 29 realisiert ist,
umso höher ist dessen Spannungs festigkeit, umso größer
darf dieser Spannungsabfall sein und umso stärker kann
der Spannungsverlauf in der Driftzone 11 von dem Spannungsverlauf
in der Driftsteuerzone 21 abweichen, ohne dass das Driftsteuerzonendielektrikum 29 zerstört
wird.
-
Der
Spannungsverlauf in der Driftsteuerzone 21 wird insbesondere
bestimmt durch die Dotierungskonzentration in der Driftsteuerzone 21,
die der Dotierungskonzentration der Driftzone 11 entsprechen
kann und die für Bauelemente mit Sperrspannungen bis etwa
600 Vim Bereich von etwa 1014 cm–3 liegen kann. Für höhere
Sperrspannungen bis 2000 Vkann die Dotierungskonzentration auf die
Hälfte reduziert werden. Um eine Beschädigung
des Bauelements zu vermeiden, sollte die Dotierungskonzentration
der Driftsteuerzone 21 so auf die Dotierungsverhältnisse
in der Driftzone 11, die Spannungsfestigkeit des Driftsteuerzonendielektrikums 29 und
die gewünschte Spannungsfestigkeit des Bauelements abgestimmt
sein, dass bei einer maximal zulässigen Sperrspannung (d.
h. Laststreckenspannung bei sperrend angesteuertem Bauelement) kein
Avalanche-Durchbruch in der Driftsteuerzone 21 auftritt
und dass sich eine Raumladungszone in der Driftsteuerzone 21 so
weit in der Stromflussrichtung ausbreitet, dass das aus den Feldstärkekomponenten
in der Stromflussrichtung und senkrecht zu der Stromflussrichtung
gebildete elektrische Feld die Durchbruchsfeldstärke des
für die Driftsteuerzone 21 verwendeten Halbleitermaterials
nicht überschreitet. Die Dotierungsverhältnisse
in der Driftsteuerzone 21 können insbesondere
so gewählt werden, dass die Driftsteuerzone 21 in
einer Richtung senkrecht zu der Stromflussrichtung bzw. senkrecht
zu dem Driftsteuerzonendielektrikum 29 vollständig
ausräumbar ist.
-
Bezug
nehmend auf 2 kann optional ein Spannungsbegrenzungselement 34,
beispielsweise eine in Sperrrichtung gepolte Zenerdiode, parallel
zu dem Speicherkondensator 50 geschaltet sein, das die
Spannung V50 über dem Speicherkondensator 50 nach
oben hin begrenzt. Dieses Spannungsbegrenzungselement kann Bezug
nehmend auf 4 insbesondere als MOSFET reali siert
sein, der als Diode verschaltet ist. Eine Einsatzspannung dieses MOSFET
(d. h. eine für eine leitende Ansteuerung minimal erforderliche
Gate-Source-Spannung) bestimmt hierbei die maximal über
dem Speicherkondensator 50 anliegende Spannung V50. Diese
Einsatzspannung kann in hinlänglich bekannter Weise während
des Herstellungsverfahrens, beispielsweise über die Dicke
des Gatedielektrikums und/oder die Dotierung eines Bodygebiets dieses
MOSFET, eingestellt werden.
-
Bezug
nehmend auf 2 kann optional ein weiteres
Gleichrichterelement zwischen dem Gateanschluss G des Leistungshalbleiterbauelements
und den der Driftsteuerzone zugewandten Anschluss des Speicherkondensators 50 vorgesehen sein.
Bei dieser Ausführungsform wird der Speicherkondensator 50 bei
einer ersten leitenden Ansteuerung der MOS-Transistorstruktur, d.
h. bei erstmaligem Anlegen einer Gate-Source-Spannung Vgs der Speicherkondensator 50 weiter
aufgeladen, sofern die Gate-Source-Spannung Vgs größer
ist als die sich aufgrund der Abschnürspannung des selbstleitenden
Transistors 31 einstellende Kondensatorspannung V50. Der
Verlauf der Kondensatorspannung V50 ist für diesen Fall
strichpunktiert in 3 dargestellt. Zum Zeitpunkt
t1 beginnt die Kondensatorspannung V50 hierbei weiter anzusteigen,
bis die Kondensatorspannung V50 den Wert der Gate-Source-Spannung
Vgs erreicht. Entsprechend wird die Driftsteuerzone 21 auf
ein elektrisches Potential aufgeladen, das der Gate-Source-Spannung
Vgs abzüglich der bei leitender MOS-Transistorstruktur über der
Laststrecke D-S anliegenden Spannung entspricht.
-
5 zeigt
anhand des elektrischen Ersatzschaltbilds ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bauelementanordnung. Alternativ zu
der Darstellung in 2 ist das Leistungshalbleiterbauelement 10 in 5 als
MOSFET T12 mit zwei Steuerelektroden dargestellt, von denen eine
die Gateelektrode repräsentiert und von denen eine andere die
Driftsteuerzone repräsentiert. Die Ansteuerung des selbstlei tenden
Transistors 31 abhängig von der Spannung V50 über
dem Speicherkondensator 50 erfolgt bei der in 5 dargestellten
Bauelementanordnung durch einen Spannungsteiler 36, 37,
der parallel zu dem Speicherkondensator 50 geschaltet ist und
der einen Mittenabgriff aufweist, der an den Steueranschluss des
selbstleitenden Transistors 31 angeschlossen ist. Der Spannungsteiler 36, 37 ist
in dem dargestellten Beispiel als kapazitiver Spannungsteiler mit
zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren 36, 37 realisiert.
Alternativ kann dieser Spannungsteiler auch als ohmscher Spannungsteiler
mit hochohmigen Widerständen, oder als Spannungsteiler
mit in Reihe geschalteten Zenerdioden realisiert werden. Möglich
ist auch eine gemischte Realisierung dieses Spannungsteilers mit
wenigstens einer Zenerdiode und wenigstens einem hochohmigen ohmschen
Widerstand. Diese genannten Alternativen sind in den 6A bis 6C dargestellt.
-
Eine
Ansteuerspannung des selbstleitenden Transistors 31 entspricht
bei der in 5 dargestellten Bauelementanordnung
einer am Mittenabgriff des Spannungsteilers anliegenden Spannung
V37. Diese Spannung V37 steht über das Teilerverhältnis des
Spannungsteilers 36, 37 zu der Spannung über dem
Speicherkondensator V50 in Beziehung. Die über die Ladeschaltung 30 eingestellte
Spannung über dem Speicherkondensator 50 ist hierbei
abhängig von der Abschnürspannung des selbstleitenden Transistors 31 und
dem Teilerverhältnis des Spannungsteilers 36, 37.
Bei dieser Ausführungsform kann ein selbstleitender Transistor 31 verwendet werden,
dessen Abschnürspannung geringer ist als die gewünschte
Speicherspannung V50 des Speicherkondensators 50.
-
Die
erfindungsgemäße Bauelementanordnung, die ein
Leistungshalbleiterbauelement 10 mit einer Driftzone 11 und
einer Driftsteuerzone 21, eine kapazitive Speicheranordnung 50 und
eine Ladeschaltung 30 für die kapazitive Speicheranordnung 50 aufweist,
ist nicht auf eine MOS-Transistorstruktur gemäß 1 beschränkt,
sondern kann beliebige Leistungshalbleiter bauelemente mit einer
Driftzone und einer Driftsteuerzone aufweisen.
-
So
kann beispielsweise ein Leistungstransistor mit einer planare Transistorstruktur
vorgesehen werden, bei der die Gateelektrode – abweichend
von der Darstellung in 1 – nicht in einem
Graben des Halbleiterkörpers sondern oberhalb der Vorderseite des
Halbleiterkörpers angeordnet ist. Ein Inversionskanal in
der Bodyzone verläuft bei einer solchen planaren Transistorstruktur
in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers. Eine
solche Struktur wird noch anhand von 9 erläutert
werden.
-
Darüber
hinaus kann die Driftzone 11 komplementär zu der
Drainzone 12 realisiert sein, was in 1 in
Klammern dargestellt ist. Bei einem solchen Bauelement breitet sich
die Raumladungszone im Sperrfall ausgehend von dem pn-Übergang
zwischen der Drainzone 12 und der Driftzone 11 aus,
wodurch das Gatedielektrikum 19 im Sperrfall vor hohen Spannungsbelastungen
sicher geschützt wird. Sofern die Gateelektrode 18 so
realisiert ist, dass der Inversionskanal in lateraler Richtung des
Halbleiterkörpers beabstandet zu dem Akkumulationskanal
entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 29 verläuft, ist
bei dieser Variante eine Halbleiterzone 20 des gleichen
Leitungstyps wie die Drainzone 12 vorzusehen, die sich
in lateraler Richtung unterhalb der Bodyzone 14 von dem
Inversionskanal entlang des Gatedielektrikums 19 bis an
den Akkumulationskanal entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 29 erstreckt.
-
Des
Weiteren besteht die Möglichkeit, die Gateelektrode 18 und
die Driftsteuerzone 21 in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers übereinander anzuordnen,
was anhand von 10 noch erläutert werden
wird.
-
Die
Driftsteuerzone 21 kann grundsätzlich komplementär
zu der Drainzone 12 dotiert ist oder kann vom gleichen
Leitungstyp wie die Driftzone 11 sein. Darüber
hinaus besteht die Möglichkeit, eine oder beide dieser
Zonen 11, 21 als undotierte bzw. intrinsische
Halbleiterzonen zu realisieren.
-
Abweichend
von der Darstellung in 1 können auch die Driftsteuerzone 21 und
die die Driftsteuerzone 21 kontaktierenden Bauelementzonen auf
unterschiedliche Weise realisiert werden. Beispielhaft zeigt 7 eine
Bauelementanordnung, bei der zwischen dem zweiten Anschlusskontakt 26 und der
Driftsteuerzone 21 eine komplementär zu der Driftsteuerzone 21 dotierte
Halbleiterzone 24 angeordnet ist, wobei optional zwischen
dieser Halbleiterzone 24 und dem Anschlusskontakt 26 eine
höher dotierte Anschlusszone 25 vorhanden ist,
die zu einer Verringerung des Kontaktwiderstandes führt.
Der Vorteil der Bauelementstruktur in 7 im Vergleich zu
der Bauelementstruktur in 1 besteht
darin,, dass hier ein pn-Übergang vorhanden ist, der bei
ansteigendem Potential in der Driftsteuerzone 22 sperrt,
so dass für die Ausbreitung einer Raumladungszone in der
Driftsteuerzone 22 eine Einwirkung der Bodyzone 14, 15 nicht
erforderlich ist. Darüber hinaus bilden die p-Zonen 24, 15 mit
der Bodyzone 14, 15 und dem dazwischen liegenden
Abschnitt der Driftsteuerzone 19 eine Speicherkapazität,
in der ein Teil der Ladungsträger aus der Driftsteuerzone 21 zwischengespeichert
werden können.
-
Die
zwischen der Drainzone 12 und der Driftsteuerzone 21 angeordnete
Diode 41 ist bei der Bauelementanordnung gemäß 7 in
dem Halbleiterkörper 100 integriert und umfasst
ein sich an die Driftsteuerzone 21 anschließende
komplementär zu dieser dotierte Halbleiterzone 411 und
eine höher dotierte Halbleiterzone 412, die zwischen
der Halbleiterzone 411 und der zweiten Anschlusselektrode 23 ausgebildet
ist und die für einen niedrigen Kontaktwiderstand sorgt.
Die erste Anschlusselektrode 23 und die Drainelektrode 13 der
MOS-Transistorstruktur sind bei dieser Ausführungsform
als gemeinsame Elektrodenschicht realisiert. Optional kann sich
die Drainzone 12 in nicht näher dargestellter
Weise bis unter die Driftsteuerzone 22 erstrecken. Die
höher dotierte Anschlusszone 412 schließt
sich in diesem Fall an die Drainzone 12 an.
-
Anstelle
einer Bipolardiode zwischen der Drainzone 12 und der Driftsteuerzone 21 kann
ich nicht näher dargestellter Weise auch eine Schottky-Diode
verwendet werden. Bei einer weiteren nicht dargestellten Variante
ist vorgesehen, zwischen der Drainzone 12 und der Driftsteuerzone 21 eine
Bauelementstruktur mit einem Tunneldielektrikum vorzusehen, das
es ermöglicht, dass das Potential der Driftsteuerzone 21 über
das elektrische Potential der Driftzone 12 ansteigen kann.
-
8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Bauelementanordnung, bei der das Leistungshalbleiterbauelement als
Leistungsdiode mit einer Driftzone 11, einer komplementär
zu der Driftzone 11 ausgebildeten Anodenzone 54 und
einer Kathodenzone 52 des gleichen Leitungstyps wie die Driftzone 11 ausgebildet
ist. Benachbart zu der Driftzone 11 und dielektrisch gegenüber
der Driftzone 11 isoliert ist hierbei die Driftsteuerzone 21 angeordnet. Die
Funktionsweise der in 8 dargestellten Bauelementanordnung
bei sperrend angesteuerter Diode entspricht der Funktionsweise der
zuvor erläuterten Bauelementanordnung mit einer MOS-Transistorstruktur.
Die Leistungsdiode sperrt bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen
der Kathodenzone 52 bzw. einem Kathodenanschluss K und
der Anodenzone 54 bzw. einem Anodenanschluss A. Leitend
angesteuert wird die Leistungsdiode durch Anlegen einer positiven
Spannung zwischen der Anodenzone 54 und der Kathodenzone 52.
Die Funktionsweise der Driftsteuerzone zur Steuerung eines Akkumulationskanals
in der Driftzone 11 entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 29 entspricht
hierbei der zuvor im Zusammenhang mit der MOS-Transistorstruktur
erläuterten Funktionsweise der Driftsteuerzone.
-
Das
zuvor erläuterte Konzept ist in nicht näher dargestellter
Weise auch auf Schottky-Dioden anwendbar. Die Struktur einer solchen
Schottky-Diode entspricht grundsätzlich der Struktur einer
Bipolardiode, mit dem Unterschied, dass anstelle eines pn-Übergang
ein Schottky-Übergang vorhanden ist. Eine solche Schottky-Diode
erhält man, wenn man bei der in 8 dargestellten
Bipolardiode die Anodenzone 54 weglässt und ein
geeignetes Metall für die Elektrode 56 wählt,
das einen Schottky-Übergang mit der Driftzone 11 bildet.
-
Die
kapazitive Ladungsspeicheranordnung 50 sowie die Bauelemente
der Ladeschaltung 30 können als externe, d. h.
außerhalb des Halbleiterkörpers 100 angeordnete,
Bauelemente realisiert sein oder können alle oder teilweise
in dem Halbleiterkörper 100 integriert sein. 9 zeigt
für eine Bauelementanordnung mit einem MOS-Transistor als Leistungshalbleiterbauelement
eine Möglichkeit zur Realisierung des selbstleitenden Transistors 31 der Ladeschaltung
in demselben Halbleiterkörper 100 wie die MOS-Transistorstruktur.
Die MOS-Transistorstruktur ist in dem dargestellten Beispiel als
planare Transistorstruktur realisiert, die eine Gateelektrode 18 aufweist,
die oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers
angeordnet ist. Die Gateelektrode 18 und das zwischen der
Gateelektrode 18 und dem Halbleiterkörper 100 angeordnete
Gatedielektrikum 19 weisen hierbei eine Aussparung auf,
durch welche sich die Sourceelektrode 16 durch die Sourcezone 17 bis
in die Bodyzone 14 erstreckt und dadurch die Sourcezone 17 und über
eine hochdotierte Anschlusszone 15 die Bodyzone 14 kontaktiert.
Die Sourceelektrode 16 ist hierbei mittels einer Isolationsschicht 161 gegenüber
der Gateelektrode 18 isoliert. Die Bodyzone 14 ist
bei dieser planaren Transistorstruktur so realisiert, dass sie die
Sourcezone 17 in horizontaler und vertikaler Richtung des
Halbleiterkörpers umgibt. Die Driftzone 11 reicht
hierbei abschnittsweise bis an die Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers. Ein Inversionskanal breitet sich bei
geeignet angesteuerter Gateelektrode 18 in lateraler Richtung
des Halbleiterkörpers zwischen der Sourcezone 17 und
einem bis an die Vorderseite 101 reichenden Abschnitt der
Driftzone 11 entlang des Gatedielektrikums 19 in
der Bodyzone 14 aus.
-
Der
selbstleitende Transistor 9 weist bei der dargestellten
Bauelementanordnung ebenfalls eine planare Transistorstruktur mit
einer oberhalb der Vorderseite 101 angeordneten Gateelektrode 318 und einem
zwischen der Gateelektrode 318 und dem Halbleiterkörper
angeordneten Gatedielektrikum 319 auf. Diese Gateelektrode 318 und
das Gatedielektrikum 319 weisen eine Aussparung auf, durch
welche sich eine Sourceelektrode 316 in einer vertikalen Richtung
in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckt und
dort eine Sourcezone 317 und eine die Sourcezone 317 umgebende
Bodyzone 314 kontaktiert. Eine höher als die Bodyzone 314 dotierte
Anschlusszone 315 sorgt hierbei für einen niederohmigen
Anschluss der Sourceelektrode 316 an die Bodyzone 314.
Die Gateelektrode 318 des selbstleitenden Transistors 31 ist
durch die Sourceelektrode 16 der Transistorstruktur des
Leistungshalbleiterbauelements 10 kontaktiert.
-
Die
Bodyzone 14 des Leistungstransistors und die Bodyzone 314 des
selbstleitenden Transistors 31 sind in dem Beispiel gemeinsam
in der Driftzone 11 angeordnet. Die beiden Transistorstrukturen besitzen
somit eine gemeinsame Driftzone 11 und eine gemeinsame
Drainzone 12. Sie können in nicht dargestellter
Weise jedoch auch getrennte Driftzonen aufweisen, indem beispielsweise
eine Dielektrikumsschicht zwischen den Driftzonen dieser beiden
Bauelemente angeordnet wird.
-
In
nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit,
die Bodyzone 314 des selbstleitenden Transistors 31 in
der Driftsteuerzone 21 anzuordnen. Der selbstleitende Transistor
nutzt die Driftsteuerzone 21 dann als seine Driftzone,
die über das Gleichrichterelement 41 an den Drainanschluss 13 gekoppelt
ist.
-
Eine
weitere Möglichkeit zur Integration des Leistungshalbleiterbauelements 10 und
des selbstleitenden Transistors 31 in einem gemeinsamen
Halbleiterkörper 100 ist in 10 dargestellt.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 10 lediglich
ein Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 dargestellt.
Die übrigen Schaltungskomponenten der Bauelementanordnung
sind nicht dargestellt.
-
Das
Leistungshalbleiterbauelement 10 umfasst bei der dargestellten
Bauelementanordnung eine MOS-Transistorstruktur, die entsprechend
der anhand von 1 erläuterten Transistorstruktur
realisiert ist, mit dem Unterschied, dass die Gateelektrode 18 in
vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 oberhalb
der Driftsteuerzone 21 angeordnet ist. Die Driftsteuerzone 21 beginnt
bei dieser Bauelementanordnung in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers
somit erst auf Höhe der Driftzone 11. Zwischen
der Gateelektrode 18 und der Driftsteuerzone 21 ist
eine Dielektrikumsschicht angeordnet, die bezüglich ihrer
Dicke und ihres Aufbaus dem Gatedielektrikum entsprechen kann. Das
Gatedielektrikum 19 und das Driftsteuerzonendielektrikum 29 können bei
dieser Ausführungsform durch eine gemeinsame Dielektrikumsschicht,
beispielsweise aus einem Halbleiteroxid, bestehen.
-
Die
Driftsteuerzone 21 kann in nicht näher dargestellter
Weise abschnittsweise bis an die Vorderseite 101 reichen
und dort kontaktiert werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit,
eine Anschlusselektrode (nicht dargestellt) vorzusehen, die abschnittsweise
durch die Gateelektrode 18 bis in die Driftsteuerzone 21 reicht
und die Driftsteuerzone 21 kontaktiert. Diese Anschlusselektrode
ist hierbei elektrisch gegenüber der Gateelektrode 18 isoliert.
-
In
lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 schließt
sich beiderseits der Bodyzone 14 eine Gateelektrode 18 und
beiderseits der Driftzone 11 eine Driftsteuerzone 21 an.
Die Drainelektrode 13 und die erste Anschlusselektrode 23 der
Drift steuerzone sind in dem dargestellten Beispiel als gemeinsame
Elektrodenschicht realisiert. Zwischen der ersten Anschlusselektrode 23 und
der Driftsteuerzone ist eine integrierte Diode 411, 412 angeordnet.
Das Leistungshalbleiterbauelement 10 ist zellenartig aufgebaut
und weist eine Vielzahl der in 10 dargestellten
Transistorstrukturen auf, die parallel geschaltet sind.
-
Der
Halbleiterkörper 100 ist bei der in 10 ausschnittsweise
dargestellten Bauelementanordnung in lateraler Richtung in eine
Anzahl aktiver Bauelementabschnitte und Ansteuerabschnitte unterteilt, die
jeweils abwechselnd angeordnet sind und zwischen denen jeweils eine
Dielektrikumsschicht 29, 329 angeordnet ist. Einige
der Bauelementabschnitte umfassen jeweils Abschnitte der Sourcezone 15,
der Bodyzone 14, der Driftzone 11 und der Drainzone 12 der
MOS-Transistorstruktur des Leistungshalbleiterbauelements. Benachbart
zu diesen Bauelementabschnitten des Leistungshalbleiterbauelements 10 sind
jeweils Steuerzonenabschnitte des Leistungshalbleiterbauelements
angeordnet, in denen jeweils Abschnitte der Gateelektrode 18 und
der Driftsteuerzone 21 des Leistungshalbleiterbauelements 10 angeordnet
sind.
-
In
anderen der aktiven Bauelementabschnitte des Halbleiterkörpers 100 Transistorstrukturen
des selbstleitenden Transistors 31 realisiert. Jeder der Transistorstrukturen
des selbstleitenden Transistors umfasst in vertikaler Richtung übereinanderliegend eine
Drainzone 312, eine Driftzone 311, eine Bodyzone 314 sowie
eine Sourcezone 317. Eine Sourceelektrode 316 erstreckt
sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 durch
die Sourcezone 317 bis in die Bodyzone 314, wobei
eine hochdotierte Anschlusszone 315 einen niederohmigen
Kontakt zwischen der Sourceelektrode 316 und der Bodyzone 314 gewährleistet.
Die Gateelektrode 318 des selbstleitenden Transistors 31 ist
in einem zu dem aktiven Bauelementabschnitt benachbarten Steuerzonenabschnitt
angeordnet. Die Driftzone 311 des selbstleitenden Transistors 31 er streckt
sich benachbart zu der Gateelektrode 318 bis an die Sourcezone 317, wodurch
bei nicht angesteuerter Gateelektrode 318 permanent ein
leitender Kanal zwischen der Sourcezone 317 und der Drainzone 312 vorhanden
ist, der bei geeigneter Ansteuerung der Gateelektrode 318 abgeschnürt
werden kann.
-
In
dem dargestellten Beispiel sind jeweils zwei aktive Bauelementabschnitte,
die aktive Bauelementzonen des selbstleitenden Transistors 31 enthalten
benachbart zu einem Steuerzonenabschnitt, der die Gateelektrode 318 des
selbstleitenden Transistors enthält, angeordnet. Die aktiven
Bauelementabschnitte des selbstleitenden Transistors 31 schließen
sich an der der Gateelektrode 318 abgewandten Seite an
Steuerzonenabschnitte des Leistungshalbleiterbauelements 10 an.
Um zu vermeiden, dass durch die Gateelektrode 18 des Leistungshalbleiterbauelements
ein leitender Kanal in den aktiven Bauelementabschnitten des selbstleitenden
Transistors 31 gesteuert wird, reicht die hochdotierte
Anschlusszone 315 des selbstleitenden Transistors in lateraler Richtung
bis an eine Dielektrikumsschicht 319 zwischen dem Steuerzonenabschnitt
des Leistungshalbleiterbauelements 10 und dem aktiven Bauelementabschnitt
des selbstleitenden Transistors 31 heran. Diese Anschlusszone 315 ist
so hoch dotiert, dass durch die Gateelektrode 18 des Leistungshalbleiterbauelements
kein leitender Kanal zwischen der Sourcezone 317 und der
Driftzone 311 des selbstleitenden Transistors 31 hervorgerufen
werden kann.
-
Bei
der Herstellung der in 10 dargestellten Bauelementstruktur
wird zunächst ein Halbleiterkörper 100 mit
abwechselnd angeordneten aktiven Bauelementabschnitten und Steuerzonenabschnitten
hergestellt, wobei die einzelnen Bauelementabschnitte zunächst
identisch sind und nur die Diodenstruktur im Bereich einer Rückseite 102 des
Halbleiterkörpers und die den späteren Driftzonen
entsprechenden Abschnitte aufweisen. Die Steuerzonenabschnitte sind
in entsprechender Weise jeweils identisch aufgebaut und weisen die
Gateelektroden und die für das Leistungshalbleiterbauelement
erforderlichen Driftsteuerzonenabschnitte auf. Über hinlänglich
bekannte Implantations- und Diffusionsschritte erfolgt dann die
Herstellung der Source- und Bodyzonen in den aktiven Bauelementabschnitten,
wobei durch geeignete Wahl der Implantations- und Diffusionsschritte
entweder Source- und Bodyzonen für das Leistungshalbleiterbauelement 10 oder
für den selbstleitenden Transistor 32 hergestellt
werden. Abschnitte unterhalb der Gateelektrode 318 des
selbstleitenden Transistors, die im Bereich des Leistungshalbleiterbauelements 10 die
Driftsteuerzone bilden und die in 10 mit
den Bezugszeichen 321 und 324 bezeichnet sind,
können hierbei ungenutzt bleiben, so dass innerhalb der
Driftzone 311 des selbstleitenden Transistors kein Akkumulationskanal
gesteuert wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-