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Die
Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Halbleiterbauelemente
und betrifft nach ihrer Gattung ein Halbleiterbauelement mit einem Randabschluss.
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Aus
Siliziumcarbid (SiC) hergestellte Halbleiterbauelemente zeichnen
sich durch niedrige Durchlassverluste und eine hohe Spannungsfestigkeit
im Sperrfall aus. Um bei Anwendungen in der Leistungselektronik
zu vermeiden, dass im Sperrfall auftretende elektrische Felder das
umgebende Medium durchschlagen, sind die Halbleiterbauelemente üblicherweise
mit einem sogenannten Randabschluss ausgestattet. So besitzt die
in der internationalen Patentanmeldung
WO 96/03774 A1 beschriebene
Halbleiterdiode einen den aktiven Bereich der Diode rahmenförmig umfassenden
Randabschluss. Da die laterale Ausdehnung des Randabschlusses größer bemessen
ist als die maximale vertikale Ausdehnung einer sich durch Anlegen
einer Sperrspannung ausbildenden Verarmungszone, erfolgt der Avalanchedurchbruch
erst bei vergleichsweise hohen Werten der Sperrspannung.
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Mit
einem Randabschluss versehene Halbleiterdioden auf Basis von Siliziumcarbid
des Polytyps 4H (4H-SiC) zeigen allerdings ein räumlich inhomogenes Durchbruchsverhalten.
So wurde bei Messungen zur Untersuchung der Sperreigenschaften von
Schottky-Dioden beobachtet, dass diese im Falle eines Avalanchedurchbruchs
bevorzugt auf nur einer Seite des Bauelements leuchten, der Lawinendurchbruch
also nur auf der Licht emmitierenden Seite stattfindet. Ursächlich für dieses
Verhalten sind die räumlich
anisotropen Eigenschaften des 4H-SiC Halbleitermaterials, dessen
physikalische Parameter (z. B. Ladungsträgerbeweglichkeit, Avalanche-Koeffizienten
usw.) in Richtung der verschiedenen Achsen des Kristallgitters unterschiedliche
Werte besitzen.
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In
der Kristallographie werden die orthogonalen Richtungen des Kristallgitters
gewöhnlich
als A-, B- und C-Achse bezeichnet, wobei die C-Achse senkrecht auf
den von der A- und der B-Achse aufgespannten Gitterebenen des Kristalls
steht. Bei industriell gefertigten 4H-SiC-Wafern ist die C-Achse
in der Regel nicht senkrecht zur Waferoberfläche, also parallel zu deren
Flächennormalen
orientiert, sondern gegenüber
der Vertikalen bzw. Flächennormalen
um einen bestimmten Winkel geneigt, wobei der im Folgenden mit α bezeichnete
Neigungs- oder Kippwinkel bei
3''-Wafern α ≈ 4°, bei 2''-Wafern hingegen α ≈ 8° beträgt. Dies hat zur Folge, dass
bei einer Diode mit Randabschluss ein Avalanchedurchbruch auf der Seite,
zu der sich die C-Achse hinneigt, früher auftritt, also schon bei
niedrigeren Sperrspannungen stattfindet als auf der gegenüberliegenden
Seite des Randabschlusses.
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Bislang
wurde das inhomogene Durchbruchsverhalten der Dioden nur dadurch
berücksichtigt,
dass der Randabschluss zum Erzielen einer hinreichenden Durchbruchsfestigkeit
entsprechend groß dimensioniert
wurde. Hieraus resultiert jedoch ein relativ kleines Verhältnis von
aktiver Fläche
der Diode zur Fläche
des Randabschlusses. Hinzu kommt, dass im Avanlanche-Betrieb nur der in
Neigungsrichtung der C-Achse liegende Abschnitt des Randabschlusses
aktiv ist, sich die Stromlast also nicht, wie gewünscht, gleichmäßig über den Randabschluss
verteilt. Im Falle eines Avalanchedurchbruchs besteht somit eine
erhebliche Gefahr, dass das Bauelement beschädigt oder zerstört wird.
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Sowohl
die Flächennormale
des SiC-Substrats als auch die Flächennormale der auf dem Substrat
epitaktisch abgeschiedenen SiC-Driftzone des aus der
EP 1 936 695 A1 bekannten
Halbleiterbauelements schließen
jeweils einen Winkel α ≈ 8° mit der c-Achse
der hexagonalen Zelle des SiC-Kristallgitters ein. Um das Lawinen-Durchbruchsverhalten
des Halbleiterbauelements zu verbessern, ist ein an der elektrodenseitigen
Oberfläche der
n-dotierten Driftzone angeordneter, wannenförmig ausgebildeter Halbleiterbereich
in besonderer Art und Weise bezüglich
der hexagonalen Zelle des SiC-Kristallgitters ausgerichtet. So verläuft die
lange Seite des p-dotierten Halbleiterbereichs insbesondere parallel
zur Projektion der kristallografischen (11-20)-Richtung auf die
elektrodenseitige Oberfläche
der Driftzone. Die kurze Seite des p-dotierten Halbleiterbereichs
steht demzufolge senkrecht auf der auf die elektrodenseitige Oberfläche der
Driftzone projizierten (11-20)-Richtung
und damit auch senkrecht auf der Neigungsrichtung der (0001)-Ebene
des SiC-Kristallgitters.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein mit einem Randabschluss
ausgestattetes Halbleiterbauelement zu schaffen, das trotz räumlich anisotroper
Eigenschaften des verwendeten Halbleitermaterials ein annähernd homogenes
bzw. symmetrisches Durchbruchsverhalten zeigt.
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Diese
Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung jeweils durch gattungsgemäße Halbleiterbauelemente
mit den in den unabhängigen
Patentansprüchen
angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
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Die
Erfindung betrifft ihrer Gattung nach ein Halbleiterbauelement (beispielsweise
einen Transistor, eine Halbleiterdiode, insbesondere eine pn-Diode oder
eine Schottky-Diode), das wenigstens ein Halbleitergebiet (Driftzone)
eines ersten Leitungstyps (n-leitend oder p-leitend) mit einem (aktive
Strukturen wie einen pn-Übergang,
einen Schottky-Übergang oder
einen steuerbaren Kanal aufweisenden) aktiven Bereich umfasst. Es
besitzt weiterhin einen Randabschluss, der mit wenigstens einem
Halbleiter vom entgegen gesetzten Leitungstyp wie das Halbleitergebiet
gebildet ist und der unmittelbar an den aktiven Bereich des Halbleitergebiets
angrenzt und dieses beispielsweise rahmen- oder ringförmig umschließt.
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Als
Hauptoberfläche
des Halbleitergebiets im Sinne der Erfindung wird eine mit aktiven
Strukturen versehene Oberfläche
des aktiven Bereichs des Halbleitergebiets bezeichnet.
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Ein
gattungsgemäßes Halbleiterbauelement ist
in der eingangs genannten internationalen Patentanmeldung
WO 96/03774 A1 beschrieben,
auf deren Offenbarung hier in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Ein gattungsgemäßes Halbleiterbauelement
kann weitere Merkmale aufweisen, wie sie in der internationalen
Patentanmeldung
WO
96/03774 A1 beschrieben sind. Demnach kann das Halbleitergebiet
des Halbleiterbauelements in wenigstens einer zur Oberfläche des
Halbleitergebiets parallelen, lateralen Richtung stärker ausgedehnt
sein als in einer hierzu senkrechten, vertikalen Richtung. Der aktive
Bereich kann eine Verarmungszone mit einer von einer an dem aktiven
Bereich angelegten Sperrspannung abhängigen vertikalen Ausdehnung
aufnehmen. Eine laterale Ausdehnung des Randabschlusses kann größer als
die maximale vertikale Ausdehnung der vom Halbleitergebiet aufgenommenen
Verarmungszone sein, wobei es besonders vorteilhaft sein kann, wenn
die laterale Ausdehnung des Randabschlusses mindestens fünfmal, oder
wenigstens mindestens dreimal so groß ist wie die maximale vertikale
Ausdehnung der vom Halbleitergebiet aufgenommenen Verarmungszone.
Weiterhin können das
Halbleitergebiet und der Randabschluss jeweils aus einem Halbleitermaterial
bestehen, dessen Bandabstand wenigstens 2 Elektronenvolt beträgt.
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Das
erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das verwendete Halbleitermaterial
eine gegenüber einer
Flächennormalen
des Halbleiterbauelements geneigte (kristallographische) C-Achse
aufweist (d. h. die Flächennormale
und die C-Achse sind nicht parallel ausgerichtet, sondern schließen einen
Winkel α > 0° ein) und dass der in Neigungsrichtung
bzw. Kipprichtung der C-Achse liegende Teil, Abschnitt oder Bereich
des das aktive Gebiet des Halbleiterbauelements insbesondere rahmen-
oder ringförmig umfassenden
Randabschlusses eine größere laterale
Ausdehnung (Breite), eine größere vertikale
Ausdehnung (Tiefe) und/oder eine höhere Dotierstoffkonzentration
aufweist als der entgegen der Neigungs-/Kipprichtung gesehen gegenüberliegend
angeordnete Teil, Abschnitt oder Bereich des Randabschlusses. Der
Randabschluss des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
besitzt somit einen hinsichtlich zumindest eines der Parameter Breite,
Tiefe oder Dotierstoffkonzentration unsymmetrischen Aufbau. In Neigungsrichtung
bzw. Kipprichtung der C-Achse betrachtet, kann zumindest einer der
genannten Parameter ein Maximum besitzen, der entsprechende Teil,
Abschnitt oder Bereich des Randabschlusses also beispielsweise die
größte Breite,
Tiefe oder Dotierstoffkonzentration aufweisen.
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Im
Einklang mit dem gängigen
technischen Verständnis
dieses Begriffs, wird eine senkrecht zu den Gitterebenen des verwendeten
Halbleitermaterials orientierte Richtung als kristal lographische C-Achse
im Sinne der Erfindung bezeichnet. Als laterale Ausdehnung wird
eine Abmessung parallel zur bzw. in der Ebene der Hauptoberfläche des
Halbleitergebiets, als vertikale Ausdehnung (bzw. Tiefe) eine Abmessung
senkrecht zur Hauptoberfläche
des Halbleitergebiets bzw. des Halbleiterbauelements bezeichnet.
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Durch
den hinsichtlich der Breite, der Tiefe und/oder der Dotierstoffkonzentration
asymmetrischen Aufbau des Randabschlusses wird erstmals ein gattungsgemäßes Halbleiterbauelement
geschaffen, das trotz (räumlich)
anisotroper Eigenschaften des Halbleitermaterials ein annähernd homogenes Durchbruchsverhalten
zeigt. So erlaubt die Erfindung beispielsweise die Herstellung von
Halbleiterdioden, insbesondere Schottky-Dioden und Feldeffekttransistoren,
die eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Avanlanchefestigkeit aufweisen,
da sich die Stromlast im Falle eines Durchbruchs über den
gesamten Randabschluss homogen verteilt. Zudem kann das Verhältnis von
aktiver Fläche
zur Fläche des
Randabschlusses in vorteilhafter Weise vergrößert werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
ist die Größe der lateralen
Ausdehnung, d. h. die Breite des Randabschlusses in Kipprichtung
der C-Achse in Abhängigkeit
des Kippwinkels der C-Achse gewählt
(also eine Funktion des Neigungswinkes α), wobei die Differenz aus der
lateralen Ausdehnung des Randabschlusses in Kipprichtung der C-Achse
und der lateralen Ausdehnung in der hierzu entgegen gesetzten Richtung
mit zunehmendem Kippwinkel zunimmt bzw. mit abnehmendem Kippwinkel
abnimmt. Auf diese Weise lässt
sich das Durchbruchsverhalten des Randabschlusses den kristallographischen
Eigenschaften des jeweils verwendeten Halbleitermaterials gezielt
anpassen.
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In
einem Halbleiterbauelement gemäß dem ersten
Aspekt (ein hinsichtlich der Breite unsymmetrisch aufgebauter Randab schluss)
der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn bei einer um α ≈ 4° zur Vertikalen geneigten
C-Achse eine laterale Ausdehnung (Breite) des Randabschlusses in
Kipprichtung um 30%–40%
größer ist
als die laterale Ausdehnung (Breite) des Randabschlusses in der
zur Kipprichtung entgegen gesetzten Richtung. Falls die C-Achse
einen Winkel von α ≈ 8° mit der
Vertikalen einschließt, sollte
die laterale Ausdehnung des Randabschlusses in Kipprichtung hingegen
um 70%–150%
größer sein als
die laterale Ausdehnung des Randabschlusses in der zur Kipprichtung
entgegen gesetzten Richtung. Diese Angaben beziehen sich insbesondere
auf ein Halbleiterbauelement, insbesondere eine Diode, beispielsweise
eine Schottky-Diode, deren (nominale) Sperrspannung 600 Volt beträgt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung weist der aktive Bereich des Halbleitergebiets
einen in Aufsicht zumindest annähernd
rechteckförmigen,
insbesondere quadratischen Außenrand
mit einem (ersten) Schnittpunkt seiner beiden (auf den quadratischen/rechteckförmigen Außenrand
bezogenen) Diagonalen auf. Der aktive Bereich wird von einem Randabschluss
unmittelbar umschlossen, der in Aufsicht einen zumindest annähernd rechteckförmigen, insbesondere
quadratischen Außenrand
mit einem (zweiten) Schnittpunkt seiner beiden Diagonalen hat. Der
aktive Bereich des Halbleitergebiets und der Randabschluss sind
hierbei so gestaltet, dass der erste Schnittpunkt gegenüber dem
zweiten Schnittpunkt in Kipprichtung der C-Achse versetzt ist. Diese Ausgestaltung
der Erfindung ermöglicht
eine relativ einfache technische Realisierung des asymmetrischen
Randabschlusses.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung weist der aktive Bereich des Halbleitergebiets
einen in Aufsicht zumindest annähernd
kreisförmigen
Außenrand
mit einem (ersten) Mittelpunkt auf und wird von einem Randab schluss
unmittelbar umgeben, der in Aufsicht einen zumindest annähernd kreisförmigen Außenrand
mit einem (zweiten) Mittelpunkt hat. Der aktive Bereich des Halbleitergebiets
und der Randabschluss sind hierbei so gestaltet, dass der erste
Mittelpunkt gegenüber
dem zweiten Mittelpunkt in Kipprichtung der C-Achse versetzt ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht gleichermaßen eine
relativ einfache technische Realisierung des asymmetrischen Randabschlusses.
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Bei
weiteren Ausgestaltungen des Halbleiterbauelements gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn es die im Folgenden
dargestellten Merkmale eines Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten
Aspekt (ein hinsichtlich der Tiefe unsymmetrisch aufgebauter Randabschluss)
der Erfindung und/oder die Merkmale eines Halbleiterbauelements
gemäß dem dritten Aspekt
(ein hinsichtlich der Dotierstoffkonzentration unsymmetrisch aufgebauter
Randabschluss) der Erfindung aufweist, wodurch weitere Verbesserungen im
Durchbruchsverhalten erzielt werden können.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung zeichnet sich das gattungsgemäße Halbleiterbauelement
dadurch aus, dass das Halbleitergebiet mit wenigstens einem Halbleiter
gebildet ist, dessen kristallographische C-Achse einen Winkel α > 0° mit einer Vertikalen bzw. Normalen
der Hauptoberfläche
einschließt,
wobei ein in Kipprichtung der C-Achse befindlicher Abschnitt des
Randabschlusses eine größere vertikale
Ausdehnung (Tiefe) aufweist als ein in entgegen gesetzter Richtung
bzw. gegenüberliegend angeordneter
Abschnitt des Randabschlusses.
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Diese
Gestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
ermöglicht
eine weitere vorteilhafte Anpassung des Randabschlusses des Halbleiterbauelements
an die anisotropen Materialeigenschaften des Halbleiters zur Erzielung
eines zumindest annähernd
homogenen Durchbruchsverhaltens.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung ist die vertikale Ausdehnung des in Kipprichtung
der C-Achse befindlichen Abschnitts des Randabschlusses in Abhängigkeit
des Kippwinkels der C-Achse gewählt,
wobei die Differenz der vertikalen Ausdehnungen des Randabschlusses
in Kipprichtung der C-Achse und der hierzu entgegen gesetzten Richtung
mit zunehmendem Kippwinkel zunimmt bzw. mit abnehmendem Kippwinkel
abnimmt. Auf diese Weise kann das Durchbruchsverhalten des Randabschlusses
gezielt auf die kristallographischen Eigenschaften des Halbleiters
abgestimmt werden.
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In
dem Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn es die im Folgenden
dargestellten Merkmale eines Halbleiterbauelements gemäß dem dritten
Aspekt der Erfindung aufweist, wodurch weitere Verbesserungen des
Durchbruchsverhaltens erzielbar sind.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung zeichnet sich das gattungsgemäße Halbleiterbauelement
dadurch aus, dass das Halbleitergebiet mit wenigstens einem Halbleiter
gebildet ist, dessen kristallographische C-Achse einen Winkel α > 0° mit einer Vertikalen bzw. Normalen
der Hauptoberfläche
einschließt,
wobei ein in Kipprichtung der C-Achse befindlicher Abschnitt des
Randabschlusses eine höhere
Dotierstoffkonzentration (Flächenladung)
aufweist als ein diesem gegenüberliegend
angeordneter Abschnitt des Randabschlusses.
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Diese
Gestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
ermöglicht
eine weitere vorteilhafte Anpassung des Randabschlusses des Halbleiterbauelements
an die anisotropen Materialeigenschaften des Halbleiters zum Erzielen
eines zumindest annähernd
homogenen Durchbruchsverhaltens.
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Bei
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß dem dritten Aspekt
der Erfindung ist die Dotierstoffkonzentration des in Kipprichtung
der C-Achse befindlichen Abschnitts des Randabschlusses in Abhängigkeit
des Kippwinkels der C-Achse gewählt,
wobei die Differenz der Dotierstoffkonzentration des Randabschlusses
in Kipprichtung der C-Achse und der hierzu entgegen gesetzten Richtung
mit zunehmendem Kippwinkel zunimmt bzw. mit abnehmendem Kippwinkel abnimmt.
Auf diese Weise kann das Durchbruchsverhalten des Randabschlusses
gezielt auf die kristallographischen Eigenschaften des Halbleiters
abgestimmt werden.
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In
einem Halbleiterbauelement gemäß dem dritten
Aspekt der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn bei einer um α ≈ 4° zur Vertikalen
bzw. Normalen geneigten C-Achse eine Dotierstoffkonzentration des Randabschlusses
in Kipprichtung um 2%–5%
größer ist
als die Dotierstoffkonzentration des Randabschlusses in der zur
Kipprichtung entgegen gesetzten Richtung. Bei einer um α ≈ 8° zur Vertikalen
geneigten C-Achse sollte die Dotierstoffkonzentration des Randabschlusses
in Kipprichtung um 6%–10%
größer sein
als die Dotierstoffkonzentration des Randabschlusses in der zur
Kipprichtung entgegen gesetzten Richtung. Diese Angaben beziehen sich
insbesondere auf ein Halbleiterbauelement, insbesondere eine Diode,
beispielsweise eine Schottky-Diode, deren (nominale) Sperrspannung
600 Volt beträgt.
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Da
der Wert der Sperrspannung für
den Avalanchedurchbruch bei zu hoher Dotierstoffkonzentration wieder
abnimmt, sollte die Flächenladung
(Dosis) der Dotierstoffe im (insbesondere p-dotierten) Randabschluss
im Bereich von 5 × 1012 cm–2 bis 2 × 1013 cm–2 liegen.
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In
den Halbleiterbauelementen gemäß den oben
genannten Aspekten der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn
der das Halbleitergebiet bildende Halbleiter Siliziumcarbid, bei spielsweise
Siliziumcarbid vom Polytyp 4H ist. Insbesondere in diesem Fall können das
Halbleitergebiet und der Randabschluss aus demselben Halbleitermaterial
bestehen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei
Bezug auf die Figuren genommen wird. Es zeigen
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer Schottky-Diode mit asymmetrischem Randabschluss
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
schematische Aufsicht auf die Schottky-Diode mit asymmetrischem
Randabschluss gemäß 1;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer mit einem asymmetrischen Randabschluss ausgestatteten Schottky-Diode
in Aufsicht;
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4 Ergebnisse
einer Simulationsrechnung zur Veranschaulichung des Durchbruchsverhaltens
der in 3 dargestellten Schottky-Diode;
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5 schematische
Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur
Herstellung einer Schottky-Diode mit asymmetrischem Randabschluss
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6 Ergebnisse
einer Simulationsrechnung zur Veranschaulichung des Durchbruchsverhaltens
der Schottky-Diode gemäß 5.
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7 eine
schematische Schnittdarstellung zur Illustration einer Schottky-Diode
mit einem herkömmlichen
Randabschluss;
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8 Ergebnisse
einer Simulationsrechnung zur Veranschaulichung des Durchbruchsverhaltens
der Schottky-Diode gemäß 7.
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Zunächst soll
anhand der 7 der Aufbau einer mit einem
herkömmlichen
Randabschluss ausgestatteten Schottky-Diode 400 kurz beschrieben werden.
Die Schottky-Diode 400 weist eine beispielsweise mittels
eines CVD-Verfahrens (CVD = Chemical Vapor Deposition) auf einem
SiC-Substrat 401 abgeschiedene, n-dotierte 4H-SiC-Epitaxieschicht 402 auf.
Die 4H-SiC-Epitaxieschicht 402 besitzt einen eine Verarmungszone
aufnehmenden aktiven Bereich (Schottky-Bereich) 403, wobei
die in z-Richtung gemessene vertikale Ausdehnung dieser Verarmungszone
von der zwischen einer den Schottky-Bereich 403 kontaktierenden,
metallischen Elektrode 408 und einer das SiC-Substrat 401 kontaktierenden zweiten
Elektrode 409 anliegenden Sperrspannung abhängt.
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Der
Schottky-Bereich 403 wird von einem p-dotierten Randabschluss 405 unmittelbar
umschlossen, dessen laterale Ausdehnung sich nicht ändert (es
handelt sich somit um einen hinsichtlich der lateralen Abmessungen
symmetrischen Randabschluss). Der Randabschluss 405 kann durch
Implantieren von Dotierstoffionen in die Hauptoberfläche 404 der
4H-SiC-Epitaxieschicht 402 hergestellt werden.
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Wie
eingangs bereits erwähnt,
handelt es sich bei 4H-SiC um ein anisotropes Material, dessen C-Achse 406 gegenüber einer
Vertikalen 407 auf die Hauptoberfläche 404 der 4H-SiC-Epitaxieschicht 402 geneigt
ist, wobei hier beispielsweise ein Kippwinkel von α ≈ 4° zwischen
der C-Achse 406 und der Vertikalen/Flächennormalen 407 vorliegt.
Die zur Hauptoberfläche 404 parallele
Kipprichtung der C-Achse 405 ist in 7 in negativer
x-Richtung von rechts nach links gerichtet, die C-Achse gegenüber der
Vertikalen bzw. Flächennormalen 407 also um α ≈ 4° nach links
geneigt. Der in 7 gewählte Kippwinkel zwischen der
C-Achse 406 und der Vertikalen 407 ist lediglich
beispielhaft. So kann die C-Achse 406 auch stärker oder
schwächer
in dieselbe oder eine andere Richtung geneigt sein.
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In 8 sind
zwei Diagramme dargestellt, welche anhand von Simulationsrechnungen
das Durchbruchsverhalten der in 7 gezeigten
Schottky-Diode 400 mit einem symmetrischen Randabschluss 405 veranschaulichen.
In den beiden Diagrammen ist jeweils eine an die Schottky-Diode 400 angelegte
Sperrspannung U[V] als Abszisse und der bei der jeweiligen Sperrspannung
durch die Schottky-Diode 400 fließende elektrische Strom I[r.E.)
(r.E. = relative Einheiten) als Ordinate dargestellt. Das rechte
Diagramm zeigt einen vergrößerten Ausschnitt
des linken Diagramms oberhalb einer Sperrspannung von U = 810 V.
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In
den beiden Diagrammen sind jeweils zwei Kurven A, B dargestellt,
wobei sich Kurve A auf einen ersten Abschnitt 405a des
Randabschlusses 405 bezieht, der sich in Kipprichtung der
C-Achse 406 (in 7 auf der linken Seite) befindet,
und Kurve B auf einen zweiten Abschnitt 405b des Randabschlusses 405 bezieht,
der sich auf der gegenüberliegenden Seite
(in 7 auf der rechten Seite) befindet. Ersichtlich
tritt im ersten Abschnitt 405a des Randabschlusses 405 bereits
bei einer niedrigeren Sperrspannung als im zweiten Abschnitt 405b ein Avalanchedurchbruch
auf, was eine Folge der Verkippung der C-Achse 406 in Richtung
zum ersten Abschnitt 405a des Randabschlusses 405 ist.
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Die 1 und 2 zeigen
eine Schottky-Diode mit einem hinsichtlich der Breite asymmetrisch
ausgebildeten Randabschluss gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Die Schottky-Diode 100 besitzt ein SiC-Substrat 101,
auf dem mittels eines CVD-Verfahrens eine hier beispielsweise n-do tierte
4H-SiC-Epitaxieschicht 102 abgeschieden wurde. In der 4H-SiC-Epitaxieschicht 102 ist
ein eine Verarmungszone aufnehmender, aktiver Bereich (Schottky-Bereich) 103 geformt.
Die vertikale Ausdehnung der Verarmungszone hängt von einer Sperrspannung
ab, die an eine den Schottky-Bereich 103 kontaktierende
metallische erste Elektrode 111 und eine das SiC-Substrat 102 kontaktierende
zweite Elektrode 112 angelegt werden kann.
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Ein
hier beispielsweise p-dotierter asymmetrischer Randabschluss 105,
welcher sich in lateraler Richtung an den Schottky-Bereich 103 unmittelbar anschließt und diesen
rahmenförmig
umfasst, wurde durch Implantation eines die gewünschte p-Leitung hervorrufenden
Dotierstoffes (beispielsweise Bor- oder Aluminiumionen) in die 4H-SiC-Epitaxieschicht 102 hergestellt.
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Wie
die 2 in Draufsicht zeigt, ist ein Außenrand
(„äußere Begrenzung”) 106 des Randabschlusses 105 zumindest
annähernd
quadratisch geformt, wobei sich die beiden auf den Außenrand 106 bezogenen
Diagonalen in einem (ersten) Schnittpunkt 107 (= Durchstoßpunkt der
Symmetrieachse der vom Außenrand 106 eingeschlossenen Fläche in der
Zeichenebene) kreuzen. Ein Innenrand („innere Begrenzung”) 108 des
Randabschlusses 105 besitzt ebenfalls eine quadratische
Form, wobei sich die beiden auf den Innenrand 108 bezogenen
Diagonalen in einem (zweiten) Schnittpunkt 109 (= Durchstoßpunkt der
Symmetrieachse der vom Innenrand 108 eingeschlossenen,
dem aktiven Bereich 103 entsprechenden Fläche in der
Zeichenebene) kreuzen. Der Innenrand 108 des Randabschlusses 105 begrenzt
den Schottky-Bereich 103 also nach außen hin.
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Die
4H-SiC-Epitaxieschicht 102 weist bezüglich einer Vertikalen/Normalen
der Hauptoberfläche 104 eine
in negativer x-Richtung (also zur linken Seite hin) geneigte C-Achse
auf, wie sie in entsprechender Weise für die Schottky-Diode 400 in 1 gezeigt
ist.
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Der
Randabschluss 105 ist bezüglich der lateralen Ausdehnung
bzw. Breite asymmetrisch gestaltet. Er kann zumindest gedanklich
in vier verschiedene Abschnitte oder Schenkel 105a–105d unterteilt
werden. Es sind dies die beiden gegenüberliegend angeordneten, ein
parallel zur y-Achse ausgerichtetes erstes Schenkelpaar bildenden
Abschnitte 105a und 105b sowie die beiden ebenfalls
gegenüberliegend
angeordneten, ein parallel zur x-Achse ausgerichtetes zweites Schenkelpaar
bildenden Abschnitte 105c und 105d. Der in Kipprichtung
der C-Achse liegende Abschnitt 105a des ersten Schenkelpaares
weist erfindungsgemäß eine größere, in x-Richtung
gemessene Breite W1 auf als der gegenüberliegend angeordnete Abschnitt 105b,
dessen ebenfalls in x-Richtung gemessene Breite W2 somit der Bedingung
W2 < W1 genügt. Die
jeweils in y-Richtung gemessenen Breiten W3 und W4 der beiden das
zweite Schenkelpaar bildenden Abschnitte 105c und 105d unterscheiden
sich demgegenüber nicht,
so dass W3 = W4 gilt.
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Erstreckt
sich beispielsweise der quadratische Schottky-Bereich 103 einige
mm in x- und y-Richtung, so können
die Breite W1 des ersten Abschnitts 105a ca. 38 μm, die Breite
W2 des zweiten Abschnitts 105b ca. 28 μm, die Breite W3 des dritten Abschnitts 105c ca.
33 μm und
die Breite W4 des vierten Abschnitts 105d ca. 33 μm betragen.
Jeweils in x-Richtung gemessen ist der erste Abschnitt 105a somit
um ca. 10 μm
breiter als der zweite Abschnitt 105b.
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Wie
die 1 zeigt, kann der erste Abschnitt 105a in
einen fixen Abschnittsteil 105a' und einen variablen Abschnittsteil 105a'' unterteilt werden, wobei die Breite
des fixen Abschnittsteils 105a' der Breite des zweiten Abschnitts 105b entspricht.
Die in x-Richtung gemessene Breite des variablen Abschnittsteils 105a'' kann in Abhängigkeit des Verkippwin kels
der C-Achse dimensioniert werden, wobei die Größe des variablen Abschnittsteils 105a'' größer wird, falls der Kippwinkel
der C-Achse zunimmt, und umgekehrt.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
kann durch die unterschiedlichen lateralen Abmessungen des ersten
und zweiten Abschnitte des Randabschlusses ein zumindest annähernd räumlich homogenes
Durchbruchsverhalten der Schottky-Diode 100 im Falle eines
Avalanchedurchbruchs mit einer über
alle Abschnitte des Randabschlusses annähernd gleich verteilten Stromlast
erzielt werden.
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In 3 ist
in einer schematischen Aufsicht eine Schottky-Diode 200 mit einem ebenfalls
hinsichtlich der Breite asymmetrischen Randabschluss 201 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden lediglich
die Unterschiede zu der in 1 gezeigten
Schottky-Diode 100 erläutert
und ansonsten auf die dort gemachten Ausführungen verwiesen.
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Die
in 3 dargestellte Schottky-Diode 200 unterscheidet
sich von der Schottky-Diode 100 gemäß 2 in der äußeren Form
des Schottky-Bereichs 202, der hier in Kreisscheibenform
ausgebildet ist. Der den Schottky-Bereich 202 unmittelbar
ringförmig
umschließende
Randabschluss 201 weist einen kreisförmigen Außenrand 203 mit einem
(ersten) Mittelpunkt 204 auf. Der Schottky-Bereich 202 weist
weiterhin einen kreisförmigen
Innenrand 205 mit einem (zweiten) Mittelpunkt 206 auf.
Der kreisförmige
Innenrand 205 entspricht dem Außenrand 207 des Schottky-Bereichs 202,
so dass der Schottky-Bereich 202 kreisförmig ausgebildet ist und den
zweiten Mittelpunkt 206 als Mittelpunkt hat.
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Der
Randabschluss 201 ist mit einer sich kontinuierlich verjüngenden
bzw. verbreiternden lateralen (radialen) Abmessung versehen, wobei
sich die Änderung
der lateralen Abmessung des Randabschlusses 201 zumindest
gedanklich durch eine Versetzung des ersten Mittelpunkts 204 in Kipprichtung
der C-Achse relativ zum fixierten zweiten Mittelpunkt 206 ergibt.
Hierbei weist ein in Kipprichtung der C-Achse angeordneter erster
Abschnitt 201a des Randabschlusses 201 eine größere laterale
Ausdehnung W1 in x-Richtung auf als der gegenüberliegende zweite Abschnitt 201b,
für dessen laterale
Ausdehnung W2 < W!
gilt.
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Falls
der Durchmesser des Schottky-Bereichs 202 mehrere mm beträgt, sollte
die laterale Ausdehnung W1 des ersten Abschnitts 201a ca.
38 μm und
die laterale Ausdehnung W2 des zweiten Rahmenabschnitts 201b ca.
28 μm betragen,
die in x-Richtung
gemessene Breite des ersten Abschnitts 201a also ca. 10 μm größer sein
als die entsprechende Breite des gegenüberliegenden zweiten Abschnitts 201b.
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Durch
die dem Verkippwinkel der C-Achse angepasste, unterschiedliche Breite
des Randabschlusses 201 kann ein annähernd räumlich homogenes Durchbruchsverhalten
der Schottky-Diode 200 im Falle eines Avalanchedurchbruchs
mit einer über
den Randabschluss 201 annähernd gleich verteilten Stromlast
erzielt werden.
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In 4 sind
zwei auf Modellrechnungen basierende Diagramme dargestellt, welche
das Verhalten der in 3 gezeigten Schottky-Diode 200 bezüglich Avalanchedurchbruch
veranschaulichen. In den beiden Diagrammen ist jeweils als Abszisse
eine an die Schottky-Diode 200 angelegte Sperrspannung in
Volt (V) und als Ordinate der bei angelegter Spannung über die
Diode fließende
elektrische Strom in relativen Einheiten (r. E.) dargestellt. Das
rechte Diagramm zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des linken
Diagramms.
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In
den beiden Diagrammen entspricht die Kurve A dem Durchbruchsverhalten
des ersten Abschnitts 201a und die Kurve B dem Durchbruchsverhalten
des hierzu gegenüberliegend
angeordneten zweiten Abschnitts 201b. Ersichtlich tritt
bei den beiden Abschnitten 201a, 201b des Randabschlusses 201 bei
annähernd
gleichem Wert der Sperrspannung ein Avalanchedurchbruch auf, so
dass durch den asymmetrisch gestalteten Randabschluss 201 ein
räumlich
homogenes Durchbruchsverhalten erreicht werden kann.
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Es
wird nun Bezug auf 5 genommen, worin in schematischen
Schnittdarstellungen die Herstellung einer Schottky-Diode mit asymmetrischem Randabschluss
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht ist. Es werden wieder nur die Unterschiede
zu der in 1 gezeigten Schottky-Diode 100 erläutert und
ansonsten auf die dort gemachten Ausführungen verwiesen.
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In 5 ist
in der oberen Abbildung ein Zwischenprodukt bei der Herstellung
der in der unteren Abbildung veranschaulichten Schottky-Diode 300 gezeigt.
Die Schottky-Diode 300 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten
Schottky-Diode 100 in der senkrecht zur Hauptoberfläche 304 der
4H-SiC-Epitaxieschicht 302 bemessenen vertikalen Ausdehnung
(Tiefe T) des Randabschlusses 305.
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Die
Schottky-Diode 300 umfasst ein SiC-Substrat 301,
auf das eine hier beispielsweise n-dotierte 4H-SiC-Epitaxieschicht 302 zum
Beispiel mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden wurde. In der
4H-SiC-Epitaxieschicht 302 ist ein eine Verarmungszone
aufnehmender, aktiver Bereich (Schottky-Bereich) 303 geformt.
Eine senkrecht zu einer Hauptoberfläche 304 der 4H-SiC-Epitaxieschicht 302 bemessene,
vertikale Ausdehnung der Verarmungszone hängt von einer Sperrspannung
ab, die an eine den Schottky-Bereich 303 kontaktierende
metallische erste Elektrode 309 und eine das SiC-Substrat 301 kontaktierende
zweite Elektrode 310 angelegt werden kann.
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Der
(beispielsweise) quadratische Randabschluss 305 umschließt einen
(beispielsweise) quadratischen Schottky-Bereich 303, wobei
der Randabschluss 305 einen in Kipprichtung der C-Achse
befindlichen ersten Abschnitt 305a und einen entgegen der
Kipprichtung der C-Achse gesehen gegenüberliegend angeordneten zweiten
Abschnitt 305b aufweist. Der erste Abschnitt 305a des Randabschlusses 305 reicht
hierbei bis zu einer Tiefe T1, der gegenüberliegend angeordnete zweite
Abschnitt 305b des Randabschlusses 305 hingegen
nur bis zu einer Tiefe T2 < T1
in die 4H-SiC-Epitaxieschicht 302 hinein.
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Der
Randabschluss 305 wird durch Implantieren von Dotierstoffen
(beispielsweise Bor- oder Aluminiumionen) in die 4H-SiC-Epitaxieschicht 302 mithilfe
einer Implantationsmaske 306 dotiert, wobei die Dotierstoffe
in einer Implantationsanlage mit einer kinetischen Energien von
bis zu einigen Hundert keV auf die Hauptoberfläche 304 geschossen
werden. Die Implantationsmaske 306 ist am Ort des herzustellenden
Randabschlusses 305 mit einer durch Ätzen erzeugten Aussparung 308 versehen.
Im Bereich des zweiten Abschnitts 305b des Randabschlusses 305 ist
auf der Hauptoberfläche 304 der
4H-SiC-Epitaxieschicht 302 eine Oxidschicht 307 („Streuoxid”) abgeschieden,
welche die Eindringtiefe der in ihrem Bereich auftreffenden Dotierstoffionen
verringert. Alternativ hierzu wäre
es ebenfalls möglich,
die unterschiedliche Tiefe der verschiedenen Abschnitte des Randabschlusses 305 durch
mehrmaliges selektives Implantieren zu erzeugen.
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In 6 sind
zwei auf Modellrechnungen basierende Diagramme dargestellt, welche
das Durchbruchsverhalten im Avalanchebetrieb der in 5 gezeigten
Schottky-Diode 300 veranschaulichen. In den Diagrammen
ist jeweils als Abszisse eine an die Schottky-Diode 300 angelegte
Sperrspannung in Volt (V) und als Ordinate der bei angelegter Spannung über die
Diode fließende
elektrische Strom in relativen Einheiten (r. E.) dargestellt. Das
rechte Diagramm zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des linken
Diagramms.
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In
den beiden Diagrammen entspricht die Kurve A dem Durchbruchsverhalten
des ersten Abschnitts 305a und die Kurve B dem Durchbruchsverhalten
des gegenüberliegend
angeordneten zweiten Abschnitts 305b des Randabschlusses 305.
Ersichtlich tritt bei den beiden Abschnitten des Randabschlusses 305 bei
einem in etwa gleichen Wert für
die Sperrspannung ein Avalanchedurchbruch auf, so dass durch den
asymmetrisch gestalteten Randabschluss 305 ein zumindest
annähernd homogenes
Durchbruchsverhalten erreicht werden kann.
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In
der vorliegenden Erfindung kann durch eine asymmetrische Gestaltung
des Randabschlusses ein zumindest annähernd homogenes Durchbruchsverhalten
erzielt werden, wodurch in vorteilhafter Weise eine höhere Avalanchefestigkeit
erreicht wird, da die Stromlast im Falle eines Avalanchedurchbruchs über den
gesamten Randabschluss des Bauelements annähernd gleichmäßig verteilt wird.
Zudem ist es von Vorteil, dass ein größeres Verhältnis der aktiven (stromführenden)
Fläche
des Bauelements zur Fläche
des Randabschlusses erreicht werden kann.