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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem
IGBT und einer Diode.
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Eine
Inverterschaltung zur Ansteuerung einer Last, wie beispielsweise
eines Motors, dient als Wandler zur Wandlung eines Gleichstroms
in einem Wechselstrom. Die Schaltung wandelt eine Gleichspannung
in eine Wechselspannung und versorgt anschließend die Last,
wie beispielsweise einen Motor, mit Strom. Die Inverterschaltung
zur Ansteuerung eines Induktionsmotors weist einen IGBT (Bipolartransistor
mit isolierter Gate-Elektrode) als Schaltelement und eine FWD (Freilaufdiode)
auf. Der IGBT dient als Schaltelement, und die FWD überbrückt
den Strom, der durch den Motor fließt, wenn der IGBT sperrt,
so dass der durch den Motor fließende Strom nicht durch
einen Schaltvorgangs des IGBT geändert wird. Insbesondere
sind eine Gleichstromversorgung und der Motor miteinander verbunden.
Wenn der IGBT zum Anlegen der Spannung an den Motor sperrt, fließt
der durch den Motor fließende Strom über die FWD
zurück, bedingt durch die in einer Induktivität
L des Motors gespeicherten Energie. Folglich nimmt der Motor einen
Zustand gleich einem Fall an, in welchem die Sperrgleichspannung
an den Motor gelegt wird. Da der Strom des Motors aufgrund des Schaltvorgangs
des IGBT nicht schnell abgeschaltet wird, wird die durch den Schaltvorgang
bewirkte Wechselspannung folglich im Wesentlichen von der Gleichstromversorgung
geliefert. Da die Inverterschaltung die obige Funktion ausführt,
muss eine Diode vorgesehen werden, die in Sperrrichtung parallel
zum IGBT geschaltet ist. Insbesondere muss eine Diode vorgesehen
werden, die in Sperrrichtung parallel zum IGBT geschaltet ist, der
paarweise mit einem anderen IGBT angeordnet ist.
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10 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer Halbleitervorrichtung 90, die
in geeigneter Weise für eine Inverterschaltung verwendet
wird, die eine Last, wie beispielsweise einen Motor, ansteuert.
Die Vorrichtung 90 weist einen IGBT 90i und eine
Diode 90d auf, die gegenläufig parallel geschaltet
sind.
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Wenn
die Diode 90d in der Vorrichtung 90 als FWD in
der Inverterschaltung verwendet wird, ist es von Bedeutung, eine
Stromwellenform während der Sperrverzögerungszeit
in geeigneter Weise zu bilden, wenn die Diode von einem leitenden
Zustand in einen nicht leitenden Zustand schaltet.
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11A zeigt eine Schaltung zum Messen und Auswerten
der Wellenform des durch die Diode 90d fließenden
Stroms. 11B zeigt ein Beispiel für die
Stromwellenform.
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Die
Messschaltung weist zwei Halbleitervorrichtung 90a und 90b auf,
die jeweils der in der 10 gezeigten Vorrichtung 90 entsprechen.
Der IGBT 90ai in der Vorrichtung 90a dient als
Schaltelement. Der IGBT 90bi in der Vorrichtung 90b schließt derart
kurz, dass eine Wellenform eines durch die Diode 90bd fließenden
Stroms Id gemessen wird.
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Wenn
der IGBT 90ai der Vorrichtung 90a sperrend geschaltet
wird, fließt, wie in 11B gezeigt,
ein Kurzschlussstrom Iif durch die Diode 90bd in der Vorrichtung 90b.
Wenn der IGBT 90ai in der Vorrichtung 90a leitend
geschaltet wird, fließt ein Strom sofort und in umgekehrter
Richtung durch die Diode 90bd in der Vorrichtung 90b.
Ein Spitzenwert des in umgekehrter Richtung fließenden
Stroms ist als Erholstrom (Recovery Current) Irr definiert. Während
der Sperrverzögerungszeit der Schaltung wird die Energiequellenspannung
an die Dioden gelegt. Ein Produkt aus der Spannung und dem Erholstrom Irr
ist als Erholverlust (Recovery Loss) definiert. Für gewöhnlich
sollte eine Gleichrichterdiode während der Sperrverzögerungszeit
einen geringen Erholstrom Irr und einen geringen Erholverlust aufweisen, so
dass Strom in der Diode während der Sperrverzögerungszeit
graduell verzögert wird. Diese Verzögerung bzw.
Erholung (Recovery) der Diode ist als Soft Recovery (verzögerten
Abfall) definiert.
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In
der Vorrichtung 90 der 10 sind
der IGBT 90i und die Diode 90d auf verschiedenen
Halbleitersubstraten bzw. Halbleiterchips gebildet. Der IGBT 90i und
die Diode 90d sind über eine elektrische Verdrahtung
in umgekehrter Richtung parallel geschaltet. Zur Verringerung der
Abmessungen der Vorrichtung 90 sind der IGBT 90i und
die Diode 90d vorzugsweise auf demselben Halbleitersubstrat
gebildet.
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Die
JP-A-2007-227806 ,
welche der
US 2007/0200138 entspricht,
offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einem IGBT und einer Diode,
die auf demselben Halbleitersubstrat gebildet sind.
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Die
12A und
12B zeigen
die in der
JP-A-2007-227806 offenbarte
Halbleitervorrichtung
80.
13 zeigt
eine Querschnittsansicht der Vorrichtung
80.
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Die
Vorrichtung 80 wird als Inverter in einem Fahrzeug verwendet.
Die Vorrichtung 80 weist einen IGBT-Zellbereich und einen
Dioden-Zellbereich auf, die auf demselben n–-leitenden
Halbleitersubstrat 1 gebildet sind. In der Vorrichtung 80 bilden
der IGBT-Zellbereich und der Dioden-Zellbereich einen Zellbereich
für eine aktive Vorrichtung. In dem Zellbereich ist ein
p-leitender erster Halbleiterbereich 2 in einem Oberflächenabschnitt
des Substrats 1 auf einer Hauptoberflächenseite
gebildet. Der erste Halbleiterbereich 2 bildet einen Kanalbildungsbereich
im IGBT-Zellbereich und einen Anoden-Bereich im Dioden-Zellbereich.
Ein Emitter-Bereich 3 des IGBT ist im ersten Halbleiterbereich 2 gebildet.
Eine Gate-Elektrode G in einem Graben ist im IGBT-Zellbereich gebildet.
Eine Struktur ähnlich der Gate-Elektrode G ist im Dioden-Zellbereich
gebildet und mit keinem anderen Teil elektrisch verbunden. Die Struktur
trennt lediglich den Dioden-Zellbereich in mehrere Teile. Im IGBT-Zellbereich
ist ein p+-leitender zweiter Halbleiterbereich 4 in
einem Oberflächenabschnitt des Substrats 1 auf
einer Rückseite gebildet. Der zweite Halbleiterbereich 4 bildet
einen Kollektor-Bereich. Im Dioden-Zellbereich ist ein dritter Halbleiterbereich 5 in
einem Oberflächenabschnitt des Substrats 1 auf
der Rückseite gebildet. Der n+-leitende
dritte Halbleiterbereich 5 bildet einen Kathoden-Bereich. In
der 13 ist ein Strom, der durch den Dioden-Zellbereich
fließt, wenn mit einer Durchlassspannung betrieben wird,
als Pfeil gezeigt. Eine n-leitende Feldstoppschicht 1a des
IGBT ist sowohl auf dem zweiten als auch auf dem dritten Halbleiterbereich 4, 5 gebildet.
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In
einem Kontaktstellenbereich ist ein p-leitender vierter Halbleiterbereich 6 in
einem Oberflächenabschnitt des Substrats 1 auf
einer Hauptoberflächenseite gebildet. Der vierte Halbleiterbereich 6 umgibt
den Zellbereich. Der erste und der vierte Halbleiterbereich 2, 6 sind über
eine Emitter-Elektrodenverdrahtung E elektrisch miteinander und
mit dem Emitter-Bereich 3 im IGBT-Zellbereich verbunden.
Eine Kontaktstelle 8 ist über einen LOCOS-Oxidfilm 7 auf
dem vierten Halbleiterbereich 6 gebildet. Die Kontaktstelle 8 bildet
den Kontaktstellenbereich zum Bonden einer Verdrahtung. Im Randbereich
ist ein p-leitender fünfter Halbleiterbereich 9, welcher
den Haltebereich (Withstand Region) bildet, in einem Oberflächenabschnitt
des Substrats 1 auf der Hauptoberflächenseite
gebildet. Der fünfte Halbleiterbereich 9 umgibt
den vierten Halbleiterbereich 6. Der Kontaktstellenbereich
und der Haltebereich bilden den Randbereich. Im Randbereich ist
der zweite Halbleiterbereich 4 derart auf der Rückseite des
Substrats 1 gebildet, dass sich der zweite Halbleiterbereich 4 vom
IGBT-Zellbereich erstreckt. Der zweite Halbleiterbereich 4 und
der dritte Halbleiterbereich 5 im Dioden-Zellbereich sind über
eine Kollektor-Elektrode C, die auf der gesamten Oberfläche
der Rückseite des Substrats 1 gebildet ist, elektrisch
miteinander verbunden.
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14 zeigt
ein Beispiel für eine Strom-Spannungs-(If-Vf)-Kennlinie
einer in einer Inverterschaltung in einem Fahrzeug verwendeten Diode,
wenn die Diode in Durchlassrichtung (Vorwärtsrichtung)
betrieben wird. 15 zeigt ein Verhältnis zwischen
einem Erholstrom Irr und einer Durchlassbetriebsspannung Vf, wenn
die Diode als FWD verwendet wird.
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Der
Erholstrom Irr und die Durchlassbetriebsspannung Vf weisen, wie
in 14 gezeigt, ein Ausgleichs- bzw. Trade-Off-Verhältnis
auf. Insbesondere nimmt die Durchlassbetriebsspannung Vf zu, wenn
sich der Erholstrom Irr verringert, wie durch den Pfeil XVA gezeigt.
Demgegenüber nimmt der Erholstrom Irr zu, wenn sich die
Durchlassbetriebsspannung Vf verringert, wie durch den Pfeil XVB
gezeigt.
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Folglich
sollte die Halbleitervorrichtung mit dem IGBT-Zellbereich und dem
Dioden-Zellbereich, die auf demselben Substrat gebildet sind, eine
geringe Durchlassbetriebsspannung Vf und einen geringen Erholstrom
Irr aufweisen.
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Es
ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung
mit einem IGBT und einer Diode bereitzustellen.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung wird eine Halbleitervorrichtung
bereitgestellt, mit: einem n-leitenden Halbleitersubstrat mit einer
ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden
zweiten Seite; einem Zellbereich für ein aktives Element,
der einen IGBT-Zellbereich und einen Dioden-Zellbereich aufweist
und im Substrat angeordnet ist; einem p-leitenden ersten Halbleiterbereich,
der in einem ersten Oberflächenabschnitt auf der ersten
Seite des Substrats im Zellbereich für ein aktives Element
angeordnet ist, wobei der erste Halbleiterbereich sowohl einen Kanalbildungsbereich
des IGBT-Zellbereichs als auch einen Anoden-Bereich des Dioden-Zellbereichs
bildet; einem p-leitenden zweiten Halbleiterbereich, der in einem
zweiten Oberflächenabschnitt auf der zweiten Seite des
Substrats im IGBT-Zellbereich angeordnet ist, wobei der zweite Halbleiterbereich
einen Kollektor-Bereich des IGBT-Zellbereichs bildet; einem n-leitenden
dritten Halbleiterbereich, der in einem dritten Oberflächenabschnitt
auf der zweiten Seite des Substrats im Dioden-Zellbereich angeordnet
ist, wobei der dritte Halbleiterbereich einen Kathoden-Bereich des
Dioden-Zellbereichs bildet; einem p-leitenden vierten Halbleiterbereich,
der in einem vierten Oberflächenabschnitt auf der ersten
Seite des Substrats angeordnet ist, wobei der vierte Halbleiterbereich den
Zellbereich für ein aktives Element umgibt und elektrisch
mit dem ersten Halbleiterbereich verbunden ist; einem p-leitenden
fünften Halbleiterbereich, der in einem fünften
Oberflächenabschnitt auf der ersten Seite des Substrats
angeordnet ist, wobei der fünfte Halbleiterbereich den
vierten Halbleiterbereich umgibt; und einem n-leitenden sechsten
Halbleiterbereich, der in einem sechsten Oberflächenabschnitt auf
der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist, wobei der sechste
Halbleiterbereich unterhalb des vierten Halbleiterbereichs angeordnet
ist. Der zweite Halbleiterbereich, der dritte Halbleiterbereich
und der sechste Halbleiterbereich sind elektrisch miteinander verbunden.
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Bei
der obigen Vorrichtung wird ein Erholstrom ohne eine Erhöhung
einer Durchlassbetriebsspannung verringert.
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Die
obigen und weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung gemacht wurde, näher ersichtlich
sein. In der Zeichnung zeigt:
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1A eine
Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform, und 1B eine
Bodenansicht der Vorrichtung;
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2 eine
Querschnittsansicht der Vorrichtung entlang der Linie II-II in den 1A und 1B;
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3 ein
Diagramm eines Verhältnisses zwischen Vf und If, wenn eine
Diode in Durchlassrichtung betrieben wird;
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4 ein
Diagramm eines Verhältnisses zwischen Vf und Irr, wenn
die Diode als FWD verwendet wird;
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5A eine
Draufsicht einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform, und 5B eine
Bodenansicht der Vorrichtung;
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6A eine
Draufsicht noch einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß noch
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, und 6B eine
Bodenansicht der Vorrichtung;
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7 eine
Querschnittsansicht der Vorrichtung entlang der Linie VII-VII in
den 6A und 6B;
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8 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform;
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9 eine
Querschnittsansicht noch einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß noch
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform;
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10 einen
Schaltplan eines Ersatzschaltbildes einer für eine herkömmliche
Inverterschaltung verwendeten Halbleitervorrichtung;
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11A einen Schaltplan einer Auswerteschaltung zur
Auswertung einer Stromwellenform in einer Diode der in der 10 gezeigten
Vorrichtung, und 11B ein Diagramm eines Beispiels
für die Stromwellenform;
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12A eine Draufsicht einer herkömmlichen
Halbleitervorrichtung, und 12B eine
Bodenansicht der Vorrichtung;
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13 eine
Querschnittsansicht der Vorrichtung entlang der Linie XIII-XIII
in den 12A und 12B;
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14 ein
Diagramm eines Verhältnisses zwischen Vf und If, wenn eine
für den Inverter verwendete Diode in Durchlassrichtung
betrieben wird;
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15 ein
Diagramm eines Verhältnisses zwischen Vf und Irr, wenn
die Diode als FWD verwendet wird;
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16 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform;
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17 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform; und
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18 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform.
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Die 1A, 1B und 2 zeigen
eine Halbleitervorrichtung 100 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform.
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Die
Vorrichtung 100 kann für eine Inverterschaltung
in einem Fahrzeug verwendet werden. Die Vorrichtung 100 weist
einen IGBT-Zellbereich und einen Dioden-Zellbereich auf, die auf
einem n–-leitenden Halbleitersubstrat 1 gebildet
sind. In der Vorrichtung 100 bilden der IGBT-Zellbereich
und der Dioden-Zellbereich einen aktiven Vorrichtungsbereich. Im
aktiven Vorrichtungsbereich ist ein p-leitender erster Halbleiterbereich 2 in
einem Oberflächenabschnitt des Substrats 1 auf
einer Hauptoberflächenseite, d. h. Vorderseite gebildet.
Der erste Halbleiterbereich 2 als Basisbereich bildet einen
Kanalbildungsbereich im IGBT-Zellbereich und einen Anoden-Bereich
im Dioden-Zellbereich. Ein Emitter-Bereich 3 des IGBT ist
im ersten Halbleiterbereich 2 im IGBT-Zellbereich gebildet.
Eine Gate-Elektrode G mit einer Grabenstruktur ist im IGBT-Zellbereich
gebildet. Eine ähnliche Grabenstruktur ist ebenso im Dioden-Zellbereich gebildet.
Die Grabenstruktur im Dioden-Zellbereich ist mit keinem anderen
Teilen elektrisch verbunden. Folglich teilt die Grabenstruktur im
Dioden-Zellbereich den Dioden-Zellbereich in mehrere Teile. Im IGBT-Zellbereich
ist ein p+-leitender zweiter Halbleiterbereich 4,
der einen Kollektor-Bereich bildet, in einem Oberflächenabschnitt
des Substrats 1 auf einer Rückseite gebildet.
Im Dioden-Zellbereich ist ein n+-leitender
dritter Halbleiterbereich 5, der einen Kathoden-Bereich
bildet, auf der Rückseite des Substrats 1 gebildet.
Die Störstellenkonzentration im dritten Halbleiterbereich 5 liegt
bei ungefähr 1 × 1019 cm–3. Eine n-leitende Feldstoppschicht 1a des
IGBT ist auf dem zweiten und dem dritten Halbleiterbereich 4, 5 gebildet.
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Ein
p-leitender vierter Halbleiterbereich 6 ist in einem Oberflächenabschnitt
des Substrats 1 auf der Hauptoberflächenseite
in einem zweiten Dioden-Bereich gebildet. Der vierte Halbleiterbereich 6 umgibt
den aktiven Vorrichtungszellbereich. Der erste und der vierte Halbleiterbereich 2, 6 sind über
eine Emitter-Elektrodenverdrahtung E elektrisch miteinander und
dem Emitter-Bereich 3 des IGBT-Zellbereichs verbunden.
Eine Kontaktstelle 8 ist über einen LOCOS-Oxidfilm 7 auf
dem vierten Halbleiterbereich 6 gebildet. Die Kontaktstelle 8 bildet
den Kontaktstellenbereich. Der Kontaktstellenbereich und der zweite Diodenbereich
bilden einen Randbereich. Im Randbereich ist ein p-leitender fünfter
Halbleiterbereich 9 in einem Oberflächenabschnitt
des Substrats 1 auf der Hauptoberflächenseite
gebildet. Der fünfte Halbleiterbereich 9 umgibt
den vierten Halbleiterbereich 6 und bildet einen Haltebereich
(Withstand Region). Der vierte und der fünfte Halbleiterbereich 6, 9 werden
gleichzeitig unter derselben Ionenimplantationsbedingung gebildet.
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Ein
n+-leitender Halbleiterbereich 5a ist
in einem Oberflächenabschnitt des Substrats 1 auf
der Rückseite gebildet. Der sechste Halbleiterbereich 5a ist
unterhalb des vierten Halbleiterbereichs 6 angeordnet.
Der sechste Halbleiterbereich 5a wird bei dem selben Ionenimplantationsprozess
wie der dritte Halbleiterbereich 5 unter Verwendung eines
bestimmten Maskenmusters gebildet. Folglich ist die Störstellenkonzentration
des sechsten Halbleiterbereichs 5a gleich der des dritten
Halbleiterbereichs 5. Insbesondere liegt die Störstellenkonzentration
des sechsten Halbleiterbereichs 5a bei ungefähr
1 × 1019 cm–3.
Der zweite, der dritte und der sechste Halbleiterbereich 4, 5, 5a auf
der Rückseite des Substrats 1 sind über
eine Kollektor-Elektrode C, welche die gesamte Oberfläche
der Rückseite des Substrats 1 bedeckt, elektrisch
miteinander verbunden.
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Bei
der Vorrichtung 100 sind der IGBT-Zellbereich und der Dioden-Zellbereich
derart auf demselben n-leitenden Substrat 1 gebildet, dass
ein IGBT und eine Diode in demselben Substrat 1 gebildet sind.
Folglich weist die Vorrichtung 100 eine geringe Größe
auf.
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Der
n-leitende sechste Halbleiterbereich 5a ist auf der Rückseite
des Substrats 1 und unterhalb des p-leitenden vierten Halbleiterbereichs 6 auf
der Hauptoberflächenseite des Substrats 1 gebildet.
Der vierte Halbleiterbereich 6 umgibt den aktiven Vorrichtungszellbereich.
Ferner ist der n-leitende dritte Halbleiterbereich 5 auf
der Rückseite des Substrats 1 im Dioden-Zellbereich
gebildet. Der vierte Halbleiterbereich 6 auf der Hauptoberflächenseite
des Substrats 1 ist elektrisch und zusammen mit dem p-leitenden ersten
Halbleiterbereich 2 verbunden, der einen Anoden-Bereich
im Dioden-Zellbereich bildet. Der sechste Halbleiterbereich 5a auf
der Rückseite des Substrats 1 ist elektrisch und
zusammen mit dem dritten Halbleiterbereich 5 verbunden,
welcher den Kathoden-Bereich im Dioden-Zellbereich bildet. Folglich wird
bei der Vorrichtung 100 nicht nur der Dioden-Zellbereich
im aktiven Vorrichtungszellbereich, sondern ebenso der vierte Halbleiterbereich 6 im Randbereich
im Wesentlichen als der zweite Dioden-Bildungsbereich verwendet.
Bei der herkömmlichen Halbleitervorrichtung 80 wird
der vierte Halbleiterbereich 6 lediglich als der Kontaktstellenbereich
im Randbereich verwendet. In der 2 sind der
durch den zweiten Dioden-Bildungsbereich fließende Strom
und der durch den Dioden-Zellbereich fließende Strom für
den Fall, dass der zweite Dioden-Bildungsbereich und der Dioden-Zellbereich
in Durchlassrichtung betrieben werden, durch Pfeile gezeigt.
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Die 3 und 4 zeigen
einen Vergleich der elektrischen Eigenschaften zwischen der in den 1 und 2 gezeigten
Vorrichtung 100 und der in den 12A, 12B und 13 gezeigten
Vorrichtung 80. 3 zeigt eine Strom-Spannungs-(If-Vf)-Kennlinie
einer Diode in jeder der Vorrichtungen 80, 100,
wenn die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird. 4 zeigt
ein Verhältnis zwischen einem Erholstrom (Recovery Current)
Irr und einer Durchlassbetriebsspannung Vf, wenn die Diode in jeder
der Vorrichtungen 80, 100 als FWD verwendet wird.
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Die
elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung 100 unterscheiden
sich von denjenigen der Vorrichtung 80, da die Diode wirksam
verbessert ist, wie durch einen Pfeil III in der 3 gezeigt.
Die Diode in der Vorrichtung 100 weißt die If-Vf-Kennlinie
in einem Fall, in welchem die Diode in Durchlassrichtung betrieben
wird, derart auf, dass der Durchlassbetriebsstrom If derart verschoben
ist, dass er verglichen mit der Vorrichtung 80 größer
ist, wenn die gleiche Durchlassbetriebsspannung Vf an die Diode
gelegt wird. Folglich nimmt die Durchlassbetriebsspannung Vf in
der Vorrichtung 100 dann, wenn der Durchlassbetriebsstrom
If der gleiche ist, einen geringeren Wert als die in der Vorrichtung 80 an.
Dementsprechend nimmt die Durchlassbetriebsspannung Vf, wie in 4 gezeigt,
dann, wenn die Diode in der Vorrichtung 100 als bzw. für
die FWD verwendet wird, einen geringeren Wert als die in der Vorrichtung 80 an, wenn
der Erholstrom Irr konstant ist. Folglich nimmt der Erholstrom Irr
in der Vorrichtung 100, wie durch den Pfeil IV in der 4 gezeigt,
dann, wenn die Durchlassbetriebsspannung Vf konstant ist, einen geringeren
Wert als der in der Vorrichtung 80 an.
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Bei
der Vorrichtung 100 sind der IGBT-Zellbereich und der Dioden-Zellbereich
auf demselben Halbleitersubstrat 1 gebildet, und weist
die Vorrichtung 100 geringe Abmessungen auf. Die Vorrichtung 100 bringt
den Vorteil hervor, dass der Erholstrom Irr ohne eine Erhöhung
der Durchlassbetriebsspannung Vf verringert werden kann.
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Die 5A und 5B zeigen
eine weitere Halbleitervorrichtung 101, und die 6A und 6B zeigen
noch eine weitere Halbleitervorrichtung 102. 7 zeigt
eine Querschnittsansicht der Vorrichtung 102 entlang der
Linie VII-VII in den 6A und 6B.
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Bei
der Vorrichtung 100 in den 1A und 2 ist
der sechste Halbleiterbereich 5a auf der Rückseite
des Substrats 1 unterhalb des vierten Halbleiterbereichs 6 auf
der Hauptoberflächenseite des Substrats 1 gebildet.
Bei der Vorrichtung 100 entspricht ein Teil der Rückseite
des Substrats 1 vollständig dem vierten Halbleiterbereich 6 und
ist der sechste Halbleiterbereich 5a auf einem gesamten Teil
der Rückseite des Substrats 1 gebildet. Bei der
in den 5A und 5B gezeigten
Vorrichtung 101 ist der sechste Halbleiterbereich 5b auf
der Rückseite des Substrats 1 teilweise unterhalb
des vierten Halbleiterbereichs 6 gebildet. Bei der in der 7 gezeigten
Vorrichtung 102 ist der sechste Halbleiterbereich 5c auf
der gesamten Oberfläche auf der Rückseite des
Substrats 1 gebildet, mit Ausnahme des zweiten und des
dritten Halbleiterbereichs 4, 5.
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Der
sechste Halbleiterbereich 5b, 5c dient als Kathoden-Bereich
des zweiten Dioden-Bildungsbereichs. Es ist ausreichend, den sechsten
Halbleiterbereich 5b bei der Vorrichtung 101 teilweise
unterhalb des vierten Halbleiterbereichs 6 zu bilden. Vorzugsweise
ist der sechste Halbleiterbereich 5a bei der Vorrichtung 100 vollständig
unterhalb des vierten Halbleiterbereichs 6 gebildet. Vorzugsweise
ist der sechste Halbleiterbereich 5c bei der Vorrichtung 102 auf
der gesamten Oberfläche auf der Rückseite des Substrats 1 gebildet,
mit Ausnahme des zweiten und des dritten Halbleiterbereichs 4, 5.
In diesen Fällen nimmt die Fläche für
den zweiten Dioden-Bildungsbereich zu, so dass die Effizienz der
Diode verbessert wird. Folglich nimmt der Erholstrom Irr, wenn die Diode
als die FWD verwendet wird, einen geringeren Wert an, wenn die Durchlassbetriebsspannung
Vf konstant ist.
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Jeder
Bereich 1b, 1c in den Vorrichtungen 100, 102 der 2 und 7 ist
im Substrat 1 unterhalb des vierten Halbleiterbereichs 6 gebildet.
Im Bereich 1b, 1c wird eine Lebensdauer eines
Lochs als Ladungsträger gesteuert. Der Bereich 1b, 1c ist
als Lebensdauersteuerbereich definiert. Im Lebensdauersteuerbereich 1b, 1c wird
die Lochlebensdauer im Substrat 1 derart eingestellt, dass
sie kürzer als die in einem Bereich unterhalb des ersten
Halbleiterbereichs 2 ist. Die Lochlebensdauer im Substrat 1 unterhalb
des vierten Halbleiterbereichs 6 kann beispielsweise durch
ein Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren, ein Heliumbestrahlungsverfahren,
ein Ionenimplantationsverfahren hoher Energie, ein Golddiffusionsverfahren
oder ein Platindiffusionsverfahren gesteuert werden.
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In
den Vorrichtungen 100, 102 wird die Störstellenkonzentration
des vierten Halbleiterbereichs 6 dann, wenn der vierte
und der fünfte Halbleiterbereich 6, 9 gleichzeitig
unter derselben Ionenimplantationsbedingung gebildet werden, eher
hoch. Folglich wird eine Lochinjektionsmenge, die in das Substrat 1 eingebracht
wird, erhöht. Folglich wird die Lochlebensdauer im Substrat 1 unterhalb
des vierten Halbleiterbereichs 6 vorzugsweise derart eingestellt,
dass sie kürzer als die unterhalb des ersten Halbleiterbereichs 2 ist.
Folglich ist das Loch als der im Substrat 1 angesammelte
Ladungsträger dann, wenn die Vorrichtung in Sperrrichtung
betrieben wird, schnell verschwunden, so dass die Zunahme des Erholstroms Irr,
die durch die Anordnung des vierten Halbleiterbereichs 6 mit
der hohen Störstellenkonzentration verursacht wird, eingeschränkt
wird. Gemäß einem Simulationsergebnis liegt die
Lochlebensdauer im Substrat 1 unterhalb des vierten Halbleiterbereichs 6 vorzugsweise
in einem Bereich zwischen 1 × 10–8 und
1 × 10–6 Sekunden.
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Die
Eigenschaften des IGBT werden leicht in Übereinstimmung
mit der Lebensdauersteuerung geändert. Folglich wird der
Erholstrom Irr im aktiven Elementezellenbereich (d. h. im Zellbereich
für ein aktives Element), einschließlich des Dioden-Zellbereichs,
verringert, indem eine Struktur geändert wird, wie beispielsweise
die Störstellenkonzentration des ersten Halbleiterbereichs 2 verringert
wird, ohne die Lochlebensdauer zu steuern.
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Die 8 und 9 zeigen
weitere Halbleitervorrichtungen 103, 104.
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In
jeder Vorrichtung 103, 104 ist die Störstellenkonzentration
des vierten Halbleiterbereichs 6a, 6b geringer
als die Störstellenkonzentration des fünften Halbleiterbereichs 9.
Bei der in der 8 gezeigte Vorrichtung 103 weist
der vierte Halbleiterbereich 6a eine geringe Störstellenkonzentration
auf. Der vierte Halbleiterbereich 6a ist unter einer Ionenimplantationsbedingung
gebildet, die sich von der des fünften Halbleiterbereichs 9 unterscheidet.
Bei der in der 9 gezeigten Vorrichtung 104 ist
die Öffnung zum Bilden des vierten Halbleiterbereichs 4b kleiner als
die Öffnung zum Bilden des fünften Halbleiterbereichs 9.
Der vierte und der fünfte Halbleiterbereich 6b, 9 werden
gleichzeitig unter derselben Ionenimplantationsbedingung gebildet,
so dass die einge brachten Fremdatome durch ein thermisches Diffusionsverfahren
in seitlicher Richtung des Substrats 1 diffundiert werden.
Folglich weist der vierte Halbleiterbereich 6b die geringe
Störstellenkonzentration auf. Bei der in der 8 gezeigten
Vorrichtung 103 wird der fünfte Halbleiterbereich 9 unter
einer Bedingung gebildet, dass eine Oberflächenstörstellenkonzentration
bei 3 × 1018 cm–3 und
eine Diffusionstiefe bei 8 μm liegt. Der vierte Halbleiterbereich 6a wird
unter der Bedingung gebildet, dass die Oberflächenstörstellenkonzentration
bei 1 × 1018 cm–3 und
die Diffusionstiefe in einem Bereich zwischen 4 und 8 μm liegt.
Bei der in der 9 gezeigten Vorrichtung 104 wird
der vierte Halbleiterbereich 6b derart gebildet, dass mehrere
Ionenimplantationsbereiche diskret über die Öffnung
gebildet werden, unter der Bedingung gleich der des fünften
Halbleiterbereichs 9. Insbesondere ist die Bedingung des
fünften Halbleiterbereichs 9 derart, dass eine
Oberflächenstörstellenkonzentration bei 3 × 1018 cm–3 und
die Diffusionstiefe bei 8 μm liegt. Die Bereiche, in die
Ionen eingebracht sind, erstrecken sich in einem Prozess für
eine laterale Diffusion in seitlicher Richtung des Substrats 1. Folglich
ist die Störstellenkonzentration des vierten Halbleiterbereichs 6b insgesamt
verringert.
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Bei
den Vorrichtungen 103, 104 ist die Dichte des
als der Ladungsträger in das Substrat 1 eingebrachten
Lochs (Löcherdichte) in einem Bereich unterhalb des vierten
Halbleiterbereichs 6a, 6b verringert, ähnlich
einem Bereich unterhalb des ersten Halbleiterbereichs 2.
Folglich wird das im Substrat 1 angesammelte Loch schnell
verschwinden, wenn die Vorrichtung in Sperrrichtung betrieben wird.
Folglich wird die Zunahme des Erholstroms Irr verringert, wenn die
Vorrichtung in Sperrrichtung betrieben wird. Gemäß einem
Simulationsergebnis ist die Störstellenkonzentration des
vierten Halbleiterbereichs 6a, 6b vorzugsweise
kleiner oder gleich 1 × 1017 cm–3.
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Bei
den Vorrichtungen 101 bis 104 sind der IGBT-Zellbereich
und der Dioden-Zellbereich auf demselben Halbleiterbereich 1 gebildet
und weist jede der Vorrichtungen 101 bis 104 geringe
Abmessungen auf. Die Vorrichtungen 101 bis 104 bringen den
Vorteil hervor, dass der Erholstrom Irr ohne eine Erhöhung
der Durchlassbetriebsspannung Vf verringert wird.
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Folglich
können die obigen Vorrichtungen 101 bis 104 in
geeigneter Weise für die in einem Fahrzeug vorgesehene
Inverterschaltung zur Ansteuerung einer Last, wie bei spielsweise
eines Motors, verwendet werden, wobei die Schaltung dazu benötigt
wird, den Erholstrom Irr ohne eine Erhöhung der Durchlassbetriebsspannung
Vf zu verringert.
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16 zeigt
eine weitere Halbleitervorrichtung 105, bei der ein Lebensdauersteuerbereich 1d einzig
im Randbereich angeordnet ist. Insbesondere ist im Zellbereich für
ein aktives Element kein Lebensdauersteuerbereich vorhanden. In
diesem Fall wird ein von einer parasitären Diode eingebrachtes Loch
verringert, so dass die Erholeigenschaften verbessert werden. Folglich
bringt die Vorrichtung 105 den Vorteil hervor, dass der
Erholstrom Irr ohne eine Erhöhung der Durchlassbetriebsspannung
Vf verringert wird.
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17 zeigt
eine weitere Halbleitervorrichtung 106, bei welcher der
sechste Halbleiterbereich 5d eine Oberflächenstörstellenkonzentration
von größer oder gleich 1 × 1019 cm–3 aufweist.
Folglich weist der im Randbereich angeordnete sechste Halbleiterbereich 5d einen
ohmschen Kontakt auf. Dementsprechend bringt die Vorrichtung 106 den
Vorteil hervor, dass der Erholstrom Irr ohne eine Erhöhung der
Durchlassbetriebsspannung Vf verringert wird.
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18 zeigt
eine weitere Halbleitervorrichtung 107, bei der ein Lebensdauersteuerbereich 1d im
Randbereich und im Zellbereich angeordnet ist. Ferner ist der sechste
Halbleiterbereich 5d auf einer Rückseite des Randbereichs
angeordnet. In diesem Fall wird ein von einer parasitären
Diode eingebrachtes Loch verringert, so dass die Erholeigenschaften (Recovery
Characteristics) verbessert werden.
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Vorstehend
wurden die folgenden Ausgestaltungen offenbart.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung wird eine Halbleitervorrichtung
bereitgestellt, mit: einem n-leitenden Halbleitersubstrat mit einer
ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden
zweiten Seite; einem Zellbereich für ein aktives Element,
der einen IGBT-Zellbereich und einen Dioden-Zellbereich aufweist
und im Substrat angeordnet ist; einem p-leitenden ersten Halbleiterbereich,
der in einem ersten Oberflächenabschnitt auf der ersten
Seite des Substrats im Zellbereich für ein aktives Element
angeordnet ist, wobei der erste Halbleiterbereich sowohl einen Kanalbildungsbereich
des IGBT-Zellbereichs als auch einen Anoden-Bereich des Dioden-Zellbereichs
bildet; einem p-leitenden zweiten Halbleiterbereich, der in einem
zweiten Oberflächenabschnitt auf der zweiten Seite des
Substrats im IGBT-Zellbereich angeordnet ist, wobei der zweite Halbleiterbereich
einen Kollektor-Bereich des IGBT-Zellbereichs bildet; einem n-leitenden
dritten Halbleiterbereich, der in einem dritten Oberflächenabschnitt
auf der zweiten Seite des Substrats im Dioden-Zellbereich angeordnet
ist, wobei der dritte Halbleiterbereich einen Kathoden-Bereich des
Dioden-Zellbereichs bildet; einem p-leitenden vierten Halbleiterbereich,
der in einem vierten Oberflächenabschnitt auf der ersten
Seite des Substrats angeordnet ist, wobei der vierte Halbleiterbereich den
Zellbereich für ein aktives Element umgibt und elektrisch
mit dem ersten Halbleiterbereich verbunden ist; einem p-leitenden
fünften Halbleiterbereich, der in einem fünften
Oberflächenabschnitt auf der ersten Seite des Substrats
angeordnet ist, wobei der fünfte Halbleiterbereich den
vierten Halbleiterbereich umgibt; und einem n-leitenden sechsten
Halbleiterbereich, der in einem sechsten Oberflächenabschnitt auf
der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist, wobei der sechste
Halbleiterbereich unterhalb des vierten Halbleiterbereichs angeordnet
ist. Der zweite Halbleiterbereich, der dritte Halbleiterbereich
und der sechste Halbleiterbereich sind elektrisch miteinander verbunden.
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Bei
der obigen Vorrichtung wird ein Erholstrom ohne eine Erhöhung
einer Durchlassbetriebsspannung verringert.
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Alternativ
kann der sechste Oberflächenabschnitt vollständig
dem vierten Halbleiterbereich entsprechen. Alternativ kann der sechste
Oberflächenabschnitt auf der gesamten zweiten Seite des
Substrats angeordnet sein, mit Ausnahme des zweiten Halbleiterbereichs
und des dritten Halbleiterbereichs.
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Alternativ
können der vierte Halbleiterbereich und der fünfte
Halbleiterbereich die gleiche Ionenimplantationsbedingung aufweisen,
derart, dass der vierte Halbleiterbereich und der fünfte
Halbleiterbereich gleichzeitig gebildet werden, und kann eine Lochlebensdauer
im Substrat unterhalb des vierten Halbleiterbereichs kürzer
als die unterhalb des ersten Halbleiterbereichs sein. Ferner kann
die Lochlebensdauer im Substrat unterhalb des vierten Halbleiterbereichs
in einem Bereich zwischen 1 × 10–6 und
1 × 10–8 Sekunden liegen.
Ferner kann die Lochlebensdauer im Substrat unterhalb des vierten
Halbleiterbereichs durch eine Elektronenstrahlbestrahlung, eine Heliumbestrahlung,
eine Ionen-implantation hoher Energie, eine Golddiffusion oder eine
Platindiffusion definiert werden.
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Alternativ
kann eine Störstellenkonzentration des vierten Halbleiterbereichs
geringer als eine Störstellenkonzentration des fünften
Halbleiterbereichs sein. Ferner kann eine Oberflächenstörstellenkonzentration
des vierten Halbleiterbereichs kleiner oder gleich 1 × 1017 cm–3 sein.
Ferner können der vierte Halbleiterbereich und der fünfte
Halbleiterbereich eine unterschiedliche Ionenimplantationsbedingung aufweisen.
Ferner kann eine Maske zum Bilden des vierten Halbleiterbereichs
eine Öffnung aufweisen, die kleiner als eine Öffnung
einer anderen Maske zum Bilden des fünften Halbleiterbereichs
ist. Der vierte Halbleiterbereich und der fünfte Halbleiterbereich
weisen die gleiche Ionenimplantationsbedingung auf, derart, dass
der vierte Halbleiterbereich und der fünfte Halbleiterbereich
gleichzeitig gebildet werden, und der vierte Halbleiterbereich wird
derart gebildet, dass ein implantiertes Ion in einer Richtung parallel
zum Substrat thermisch diffundiert wird.
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Alternativ
kann die Halbleitervorrichtung für einen an einem Fahrzeug
befestigten Inverter verwendet werden.
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Alternativ
kann die Halbleitervorrichtung ferner aufweisen: eine Gate-Elektrode
in einem Graben, welcher derart auf der ersten Seite des Substrats
im Zellbereich für ein aktives Element angeordnet ist, dass
er durch den ersten Halbleiterbereich dringt; einen Emitter-Bereich,
der auf der ersten Seite des Substrats angeordnet ist; und eine
n-leitende Feldstoppschicht, die zwischen dem Substrat und dem zweiten
Halbleiterbereich angeordnet ist. Die Gate-Elektrode, der Emitter-Bereich,
der Kollektor-Bereich und die Feldstoppschicht bilden einen IGBT,
und die Kathode und die Anode bilden eine Diode. Ferner können
der vierte Halbleiterbereich und der sechste Halbleiterbereich einen
zweiten Dioden-Bereich bilden. Der fünfte Halbleiterbereich
bildet einen Haltebereich, und der zweite Dioden-Bereich und der
Haltebereich bilden einen Randbereich. Ferner kann die Halbleitervorrichtung
ferner aufweisen: einen Lochlebensdauersteuer bereich, der unterhalb
des vierten Halbleiterbereichs im Substrat angeordnet ist: Der Lochlebensdauersteuerbereich
weist eine Lochlebensdauer in einem Bereich zwischen 1 × 10–8und 1 × 10–6 Sekunden
auf, und der zweite Halbleiterbereich, der dritte Halbleiterbereich
und der sechste Halbleiterbereich sind elektrisch miteinander verbunden.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen offenbart
wurde, sollte wahrgenommen werden, dass sie nicht auf diese beschränkt
ist, sondern auf verschiedene Weise realisiert werden kann. Ferner
sollten, obgleich verschiedene bevorzugte Kombinationen und Konfigurationen
offenbart wurden, andere Kombinationen und Konfigurationen, die
mehr, weniger oder nur ein einziges Element aufweisen, ebenso als
mit im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet verstanden
werden.
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Vorstehend
wurde eine Halbleitervorrichtung mit einem IGBT und einer Diode
offenbart.
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Eine
Halbleitervorrichtung weist auf: ein Substrat 1; einen
Zellbereich für ein aktives Element, der einen IGBT-Zellbereich
und einen Dioden-Zellbereich aufweist; einen ersten Halbleiterbereich 2 auf einer
ersten Seite des Substrats im Zellbereich für ein aktives
Element; einen zweiten Halbleiterbereich 4 auf einer zweiten
Seite des Substrats im IGBT-Zellbereich; einen dritten Halbleiterbereich 5 auf
der zweiten Seite im Dioden-Zellbereich; einen vierten Halbleiterbereich 6, 6a–6b auf
der ersten Seite, welcher den Zellbereich für ein aktives
Element umgibt; einen fünften Halbleiterbereich 9 auf
der ersten Seite, welcher den fünften Halbleiterbereich
umgibt; und einen sechsten Halbleiterbereich 5a–5d auf
der zweiten Seite unterhalb des vierten Halbleiterbereichs. Der
zweite Halbleiterbereich, der dritte Halbleiterbereich und der sechste
Halbleiterbereich sind elektrisch miteinander verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-227806
A [0009, 0010]
- - US 2007/0200138 [0009]