DE102009055328A1

DE102009055328A1 - Halbleiterbauelement mit einer Emittersteuerelektrode

Info

Publication number: DE102009055328A1
Application number: DE102009055328A
Authority: DE
Inventors: Anton Dr. 83059 Mauder; Hans-Joachim Dr. 82024 Schulze; Frank Dr. 81545 Pfirsch; Franz Dr. 84424 Hirler
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-12-29
Also published as: US20110156095A1; DE102009055328B4; US9553178B2

Abstract

Beschrieben wird ein Halbleiterbauelement, das aufweist: eine erste Emitterzone (11) eines ersten Leitungstyps; eine zweite Emitterzone (13) eines zweiten Leitungstyps; eine zwischen der ersten und der zweiten Emitterzone (11, 13) angeordnete erste Basiszone (12); eine erste Steuerstruktur (20). Die erste Steuerstruktur umfasst: – eine Steuerelektrode (21), die benachbart zu der ersten Emitterzone (11) angeordnet ist, die durch eine erste Dielektrikumsschicht (22) gegenüber der ersten Emitterzone isoliert ist und die sich in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements erstreckt, – einen ersten Steueranschluss (G2), und – wenigstens eine zwischen dem ersten Steueranschluss (G2) und der ersten Steuerelektrode (21) angeordnete erste Verbindungszone (23) aus einem Halbleitermaterial.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein bipolares Bauelement, wie z. B. einen IGBT, eine Diode oder einen Thyristor.
Bipolarbauelemente besitzen zwei komplementär zueinander dotierte Emitter und wenigstens eine Basiszone, die niedriger als die Emitter dotiert ist und die zwischen den Emittern angeordnet ist. Bei leitendem Bauelement werden durch die Emitter Ladungsträger in die Basiszone emittiert, wodurch sich in der Basiszone ein Ladungsträgerplasma ausbildet. Beim Abschalten des Bauelements müssen die Ladungsträger, die das Ladungsträgerplasma bilden, wieder aus der Basiszone entfernt werden, was zu Abschaltverlusten führt.
IGBTs besitzen üblicherweise eine n-Sourcezone, welche mittels eines über eine Gateelektrode gesteuerten Inversionskanals als Elektronenquelle dient und somit in der Funktion analog zu einem n-Emitter betrachtet werden kann. Die n-Sourcezone ist durch eine p-Basiszone bzw. p-Bodyzone von einer n-Basiszone getrennt. Ein IGBT umfasst außerdem einen p-Emitter, der auf einer der p-Bodyzone abgewandten Seite der n-Basis angeordnet ist. Bei einem IGBT wird die Ladungsträgerplasmadichte in der n-Basis insbesondere durch die Effizienz des p-Emitters bestimmt. Ein hoher Emitterwirkungsgrad bedeutet dabei eine niedrige Durchlassspannung, wenn das Bauelement leitet, führt aber auch zu hohen Abschaltverlusten beim Abschalten. Dies ist dadurch bedingt, dass die im Durchlasszustand in der n-Basis gespeicherten Ladungsträger beim Abschalten durch die sich im Sperrfall aufbauende Raumladungszone fließen müssen, was zu Abschaltverlusten führt.
Zur Reduktion dieser Abschaltverluste kann bei einem IGBT zusätzlich zu einer Gateelektrode, die einen Kanal in der p-Basis steuert, eine weitere Steuerelektrode vorgesehen werden, die dazu dient, den p-Emitter kurz vor einem eigentlichen Abschalten des Bauelements kurzzuschließen bzw. zu überbrücken. Der p-Emitter wird damit wirkungslos, wodurch die Dichte des Ladungsträgerplasmas vor dem eigentlichen Abschalten des Bauelements reduziert wird.
Bei sperrendem Bauelement liegen der n-Emitter bzw. die n-Source und der p-Emitter auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen, wobei sich diese elektrischen Potentiale abhängig von der Spannungsfestigkeit des Bauelements um bis zu einige 100 V oder bis zu einige kV unterscheiden können. Entsprechend sind bei herkömmlichen IGBTs mit zwei Steuerstrukturen zwei separate Ansteuerschaltungen erforderlich: Eine erste Ansteuerschaltung, die dazu dient, eine auf das Potential des n-Emitters bzw. der n-Source bezogene Ansteuerspannung für die Gateelektrode zu erzeugen; und eine zweite Ansteuerschaltung, die dazu dient, eine auf das elektrische Potential des p-Emitters bezogene Ansteuerspannung für die weitere Steuerelektrode zu erzeugen. Diese beiden Ansteuerschaltungen müssen in geeigneter Weise elektrisch gegeneinander isoliert sein, um Spannungsüberschläge zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein bipolares Halbleiterbauelement, wie z. B. einen IGBT, eine Diode oder einen Thyristor, zur Verfügung zu stellen, das im leitenden Zustand einen geringen Einschaltwiderstand besitzt, bei dem beim Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand geringe Abschaltverluste auftreten und das einfach und kostengünstig realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst: Eine erste Emitterzone eines ersten Leitungstyps, eine zweite Emitterzone eines zweiten Leitungstyps, und eine zwischen der ersten und der zweiten Emitterzone angeordnete erste Basiszone. Das Bauelement umfasst außerdem eine erste Steuerstruktur mit einer Steuerelektrode, einem ersten Steueranschluss und wenigstens einer zwischen dem ersten Steueranschluss und der ersten Steuerelektrode angeordneten ersten Verbindungszone aus einem Halbleitermaterial. Die Steuerelektrode ist benachbart zu der ersten Emitterzone angeordnet, ist durch eine erste Dielektrikumsschicht gegenüber der ersten Emitterzone isoliert und erstreckt sich in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements.
Die erste Verbindungszone besteht bei diesem Bauelement insbesondere aus einem monokristallinen Halbleitermaterial und ist so dotiert, dass sie vollständig ausräumbar ist. ”Vollständig ausräumbar” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass dann, wenn alle in der ersten Verbindungszone vorhandenen Dotierstoffladungen ionisiert sind, die in der ersten Verbindungszone auftretende elektrische Feldstärke einen kritischen Feldstärkewert E_krit, bei dem ein Avalanche-Durchbruch einsetzt, nicht erreicht.
Mittels der ersten Steuerelektrode kann bei diesem Bauelement der erste Emitter überbrückt werden, um dadurch den Wirkungsgrad dieses erstes Emitters zu reduzieren, was insbesondere vor einem Abschalten des Bauelements sinnvoll sein kann, um Abschaltverluste zu reduzieren. Über die erste Verbindungszone kann ein zur Überbrückung des ersten Emitters geeignetes elektrisches Potential an die erste Steuerelektrode angelegt werden. Bei sperrendem Bauelement ist diese Verbindungszone in der Lage, eine Sperrspannung aufzunehmen, und damit den Steueranschluss gegenüber dem elektrischen Potential der ersten Emitterzone ”abzuschirmen”. Bei einem als IGBT ausgebildeten Halbleiterbauelement, das zusätzlich eine Basiszone des ersten Leitungstyps – die auch als Bodyzone bezeichnet wird – zwischen der zweiten Emitterzone und der ersten Basiszone und eine benachbart zu der zweiten Basiszone angeordnete Gateelektrode aufweist, könnten damit Schaltungskomponenten zur Erzeugung eines Ansteuerpotentials für die Gateelektrode und zur Erzeugung eines Ansteuerpotentials für die erste Steuerelektrode in einer gemeinsamen Schaltung integriert sein. Diese Schaltung kann insbesondere eine Schaltung sein, die Ansteuersignale erzeugt, die auf das Potential der zweiten Emitterzone bezogen sind.
Das zuvor erläuterte Konzept zur Reduktion des Wirkungsgrades eines ersten Emitters ist jedoch selbstverständlich nicht darauf beschränkt, in einem IGBT verwendet zu werden. Selbstverständlich kann dieses Konzept, auch in anderen Bipolarbauelementen, wie z. B. in Dioden oder Thyristoren angewendet werden.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Verwendung von Figuren näher erläutert. Diese Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass lediglich die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Bauelementzonen bzw. Schaltungskomponenten dargestellt sind. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelementzonen und Schaltungskomponenten mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines als IGBT realisierten Halbleiterbauelements.
2 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines als IGBT ausgebildeten Halbleiterbauelements.
3 zeigt das elektrische Schaltsymbol eines in den 1 und 2 dargestellten IGBT und eine mögliche Verschaltung des IGBT zur Ansteuerung einer Last.
4 veranschaulicht die Funktionsweise eines als IGBT ausgebildeten Halbleiterbauelements anhand von Signalverläufen.
5 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als IGBT realisierten Halbleiterbauelements.
6 veranschaulicht anhand eines Querschnitts in einer Schnittebene A-A durch das Bauelement gemäß 5 eine erste Realisierungsvariante für das Bauelement gemäß 5.
7 veranschaulicht anhand eines Querschnitts in einer Schnittebene A-A durch das Bauelement gemäß 5 eine zweite Realisierungsvariante für das Bauelement gemäß 5.
8 veranschaulicht anhand eines Querschnitts in einer Schnittebene A-A durch das Bauelement gemäß 5 eine dritte Realisierungsvariante für das Bauelement gemäß 5.
9 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als IGBT realisierten Halbleiterbauelements.
10 veranschaulicht anhand eines Querschnitts in einer Schnittebene B-B eine erste Realisierungsvariante für das Bauelement gemäß 9.
11A, 11B veranschaulichen anhand eines Querschnitts und anhand einer Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements.
12 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines als Thyristor ausgebildeten Halbleiterbauelements.
13 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines als Diode ausgebildeten Halbleiterbauelements.
1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Querschnitts durch ein als IGBT ausgebildetes Halbleiterbauelement. Dieses Halbleiterbauelement umfasst eine erste Emitterzone 11 eines ersten Leitungstyps, eine zweite Emitterzone 13 eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps, die auch als Sourcezone bezeichnet wird und die beabstandet zu der ersten Emitterzone 11 angeordnet ist, und eine zwischen der ersten Emitterzone 11 und der zweiten Emitterzone 13 angeordnete erste Basiszone 12 des zweiten Leitungstyps. Die zweite Basiszone 12 ist dabei niedriger dotiert als die erste oder zweite Emitterzone 11, 13. Dotierungskonzentrationen der ersten und zweiten Emitterzone 11, 13 liegen beispielsweise im Bereich von 10¹⁵ cm^–3 bis 10²¹ cm^–3, wobei die erste Emitterzone 11 niedriger dotiert sein kann als die zweite Emitterzone 13, und eine Dotierungskonzentration der ersten Basiszone 12 liegt beispielsweise im Bereich von 10¹² cm^–3 10¹⁵ cm^–3. Die Dotierungskonzentration der ersten Basiszone 12 und deren Abmessungen in Stromflussrichtung des Bauelements bestimmen dabei maßgeblich die Spannungsfestigkeit des Bauelements
Der in 1 dargestellte IGBT umfasst außerdem eine Steuerstruktur mit einer zweiten Basiszone 41, die auch als Bodyzone bezeichnet wird, und die zwischen dem zweiten Emitter bzw. der Sourcezone 13 und der ersten Basiszone 12 angeordnet ist. Die erste Basiszone 12 wird bei einem IGBT auch als Driftzone bezeichnet. Die Steuerstruktur 40 umfasst außerdem eine Steuerelektrode 42, die nachfolgend auch als Gateelektrode bezeichnet wird, die durch eine Dielektrikumsschicht 43 gegenüber der Bodyzone 41 isoliert ist, und die sich benachbart zu der Bodyzone 41 von der zweiten Emitterzone 13 bis an die erste Basiszone 12 erstreckt. Die Dielektrikumsschicht 43 wird nachfolgend auch als Gatedielektrikum bezeichnet. Die Bodyzone 41 ist niedriger dotiert als die zweite Emitterzone 11. Die Dotierungskonzentration der Bodyzone 41 liegt beispielsweise im Bereich von 10¹⁵ cm^–3 bis 10¹⁹ cm^–3 Die erste und zweite Emitterzone 11, 13 sowie die erste Basiszone 12 und die Bodyzone 41 sind insbesondere monokristalline Halbleiterzonen, und sind in einem Halbleiterkörper 100 angeordnet. Das in 1 dargestellte Bauelement ist ein vertikales Bauelement. Die erste und zweite Emitterzone 11, 13 sind bei diesem Bauelement in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 beabstandet zueinander angeordnet, entsprechend sind die erste Basiszone 12 und die Bodyzone 41 wenigstens abschnittsweise in dieser vertikalen Richtung zwischen der ersten und zweiten Emitterzone 11, 13 angeordnet. Die Gateelektrode 42 ist bei dem in 1 dargestellten Bauelement als planare Gateelektrode realisiert, die oberhalb einer ersten Seite 101, die nachfolgend auch als Vorderseite bezeichnet wird, des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist. Die erste Basiszone 12 und die Bodyzone 41 erstrecken sich bei diesem Bauelement abschnittsweise bis an diese Vorderseite 101. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer planaren Gateelektrode lediglich als Beispiel zu verstehen ist, selbstverständlich kann die Steuerstruktur 40 auch mit einer Trench-Elektrode realisiert werden, wie nachfolgend beispielhaft anhand der 5 und 9 noch erläutert werden wird.
Die erste Emitterzone ist durch eine erste Anschlusselektrode 31 kontaktiert, die einen Kollektoranschluss K des Bauelements bildet. Die zweite Emitterzone 13 ist durch eine zweite Anschlusselektrode 32 kontaktiert, die einen Emitteranschluss des Bauelements bildet und die in dem dargestellten Beispiel oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist. Die zweite Anschlusselektrode 32 kontaktiert bei dem dargestellten Bauelement auch die Bodyzone 41. Optional weist die Bodyzone 41 im Anschlussbereich an die zweite Anschlusselektrode eine höher dotierte Anschlusszone 41' auf, deren Dotierungskonzentration bis zu 10²¹ cm^–3 betragen kann.
Die Anschlusselektroden 31, 32 bestehen aus einem gut elektrisch leitenden Material, wie z. B. Al, Cu, Ti, Ta, W, Ni, Ag, Au oder aus Verbindungen dieser Elemente. Die Elektroden können insbesondere als Schichtstapel mit mehreren unterschiedlichen Lagen der zuvor genannten Materialien bzw. Verbindungen ausgeführt sein, um den unterschiedlichen Anforderungen bezüglich elektrischem Kontakt zum Halbleiterkörper, Barrierefunktion gegen das Eindringen unerwünschter Elemente in den Halbleiterkörper und guter Verbindbarkeit zu den äußeren Anschlüssen wie z. B. Löt- oder Drahtbondverbindungen gerecht zu werden. Die erste und die zweite Anschlusselektrode 31, 32 können insbesondere unterschiedlich realisiert sein.
Das Bauelement umfasst eine weitere Steuerstruktur 20 mit einer weiteren Steuerelektrode 21, die benachbart zu der ersten Emitterzone 11 angeordnet ist, die durch eine weitere Dielektrikumsschicht 22 dielektrisch gegenüber der ersten Emitterzone 11 und der ersten Anschlusselektrode 31 isoliert ist, und die sich in Stromflussrichtung des Bauelements von der ersten Basiszone 12 bis zu der ersten Anschlusselektrode 31 bzw. bis in die erste Anschlusselektrode 31 hinein erstreckt.
Diese weitere Steuerelektrode 21 kann auch als Emittersteuerelektrode bezeichnet werden. Die Stromflussrichtung ist bei dem in 1 dargestellten vertikalen Halbleiterbauelement eine vertikale Richtung des Halbleiterkörpers, d. h. eine senkrecht zu der Vorderseite 101 verlaufende Richtung. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass der Strom abschnittsweise auch in einer lateralen Richtung fließen kann, die Hauptstromrichtung des Bauelements ist dennoch die vertikale Richtung, also die Richtung, in der der erste und zweite Emitter 11, 13 beabstandet zueinander angeordnet sind.
Die weitere Steuerstruktur 20 umfasst außerdem einen Steueranschluss G2 und wenigstens eine erste Verbindungszone 23, die zwischen dem Steueranschluss G2 und der weiteren Steuerelektrode 21 angeordnet ist. Die erste Verbindungszone 23 besteht aus einem Halbleitermaterial, insbesondere einem monokristallinen Halbleitermaterial. Eine Dotierungskonzentration der ersten Verbindungszone 23 ist dabei insbesondere so gewählt, dass diese Verbindungszone 23 vollständig ausräumbar ist, dass die in dieser ersten Verbindungszone 23 vorhandenen Dotierstoffladungen also vollständig ionisiert werden können, ohne dass in der ersten Verbindungszone 23 hierbei die kritische Feldstärke E_krit auftritt.
Optional weist das Bauelement eine zweite Verbindungszone 25 (gestrichelt dargestellt) auf, die zwischen der ersten Verbindungszone 23 und dem Steueranschluss G2 angeordnet ist. Diese zweite Verbindungszone 25 ist optional durch eine dritte Anschlusselektrode 33 kontaktiert, die in diesem Fall den weiteren Steueranschluss G2 bildet. Optional ist in dem Anschlussbereich an die dritte Anschlusselektrode 33 eine höher dotierte Anschlusszone 25' vorhanden. In dem dargestellten Beispiel ist die zweite Verbindungszone 25 so angeordnet, dass sie die erste Verbindungszone 23 von der dritten Anschlusselektrode 33 trennt. Optional besteht auch die Möglichkeit, die zweite Verbindungszone 25 derart inselhaft zu realisieren, dass die erste Verbindungszone 23 abschnittsweise bis an die dritte Anschlusselektrode 33 reicht, wobei eine höher dotierte Anschlusszone zwischen der zweiten Verbindungszone 23 und der dritten Anschlusselektrode 33 angeordnet sein kann.
Die optionale zweite Verbindungszone 25 kann komplementär zu der ersten Verbindungszone 23 dotiert sein. Die erste Verbindungszone 23 und die optionale zweite Verbindungszone 25 sind bei dem in 1 dargestellten Bauelement benachbart zu der ersten Basiszone 12 bzw. der Bodyzone 41 angeordnet und sind durch eine weitere Dielektrikumsschicht 24 gegenüber diesen Bauelementzonen dielektrisch isoliert. Die optionale dritte Anschlusselektrode 33 ist bei diesem Bauelement oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers angeordnet. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die erste Verbindungszone 23 vom gleichen Leitungstyp wie die erste Basiszone 12 sein kann, und dass die zweite Verbindungszone 25 vom gleichen Leitungstyp wie die Bodyzone sein kann. Bei der Herstellung des Bauelements besteht insbesondere die Möglichkeit, die erste Verbindungszone 23 durch dieselben Prozesse herzustellen wie die erste Basiszone 12 und die zweite Verbindungszone 25 durch dieselben Prozesse herzustellen wie die Bodyzone 41. In diesem Fall entspricht die Dotierungskonzentration der ersten Verbindungszone 23 der der ersten Basiszone 12, und die Dotierungskonzentration der zweiten Verbindungszone 25 entspricht der der Bodyzone 41. Die Anschlusszone 25' der zweiten Verbindungszone 25 kann durch dieselben Prozesse wie die Anschlusszone 41' der Bodyzone 41 hergestellt werden.
Bei dem in 1 dargestellten Bauelement sind die weitere Steuerelektrode 21 sowie die erste Verbindungszone 23 durch eine gemeinsame Halbleiterzone realisiert, d. h. die weitere Steuerelektrode 21 und die erste Verbindungszone 23 sind in diesem Fall jeweils Halbleiterzonen, die gleich dotiert sind. Bezugnehmend auf 2, die eine Abwandlung des in 1 dargestellten Bauelements veranschaulicht, besteht auch die Möglichkeit, die weitere Steuerelektrode 21 aus einem elektrisch hochleitenden Material, wie z. B. einem Metall, einem hochdotierten polykristallinen Halbleitermaterial, wie z. B. Polysilizium, oder einem hochdotierten monokristallinen Halbleitermaterial, zu realisieren.
3 zeigt ein Schaltsymbol eines in den 1 und 2 dargestellten IGBT. Dieses Schaltsymbol unterscheidet sich von dem Schaltsymbol für IGBTs, die keine weitere Steuerstruktur aufweisen, dadurch, dass im Bereich des Kollektoranschlusses eine weitere Steuerelektrode dargestellt ist, an die der Steueranschluss G2 angeschlossen ist.
Die Funktionsweise des in den 1 und 2 dargestellten IGBT wird nachfolgend anhand von 4 erläutert, in der der Kollektorstrom I_K und Signalverläufe für eine Gate-Ansteuerspannung V_G, eine Ansteuerspannung V_G2 für den weiteren Steueranschluss G2, sowie eine Laststreckenspannung V_KE zwischen dem Kollektor und dem Emitteranschluss K, E dargestellt sind. Zu Zwecken der nachfolgenden Erläuterung sei angenommen, dass die Laststrecke bzw. Kollektor-Emitter-Strecke des IGBT in Reihe zu einer Last Z (in 3 gestrichelt dargestellt) zwischen Versorgungsspannungsklemmen V+, GND geschaltet ist. Lediglich zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass das Bauelement als Low-Side-Schalter verschaltet ist, also zwischen die Last Z und den negativen Versorgungspotentialanschluss bzw. Bezugspotentialanschluss GND geschaltet ist. Der IGBT dient in diesem Fall zum Schalten der Last, wobei bei leitend angesteuertem IGBT eine zwischen den Versorgungsspannungsklemmen V+, GND anliegende Versorgungsspannung im wesentlichen über der Last Z und bei sperrend angesteuertem IGBT im wesentlichen über der Laststrecke des IGBT abfällt.
Zu Zwecken der nachfolgenden Erläuterung sei außerdem angenommen, dass die erste Emitterzone 11 und die Bodyzone 41 p-dotiert sind und dass die zweite Emitterzone 13 bzw. die Sourcezone und die erste Basiszone 12 n-dotiert sind. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten in entsprechender Weise auch für Bauelemente, bei denen diese Halbleiterzonen komplementär zu den genannten Dotierungstypen dotiert sind. In diesem Fall sind die Polaritäten der nachfolgend erläuterten Spannungen entsprechend zu vertauschen.
Das Bauelement leitet – wie ein herkömmlicher IGBT – bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen dem Kollektor- und dem Emitteranschluss K, E und bei Anlegen eines Ansteuerpotentials an die Gateelektrode 42, das geeignet ist, einen leitenden Kanal in der Bodyzone 41 zwischen der zweiten Emitterzone 13 und der ersten Basiszone 12 auszubilden. Bei einer p-dotierten Bodyzone ist dieser Kanal ein Inversionskanal. Bei leitendem Bauelement werden durch den p-Emitter 11 Ladungsträger des ersten Leitungstyps, d. h. Löcher, in die erste Basiszone 12 injiziert, und durch den zweiten Emitter 13 werden über den Inversionskanal in der Bodyzone 41 Ladungsträger des zweiten Leitungstyps, d. h. Elektroden, in die erste Basiszone 12 injiziert. Diese in die Basiszone 12 injizierten Ladungsträger bilden ein sogenanntes Ladungsträgerplasma. Eine Dichte dieses Ladungsträgerplasmas ist – bei sonst gleicher Bauelementgeometrie – umso höher je effektiver der p-Emitter 11 ist, je höher dieser p-Emitter 11 also dotiert ist. Mit zunehmender Dotierung des p-Emitters 11 sinkt also der Spannungsabfall, den der Laststrom über der ersten Basiszone 12 verursacht und somit der Spannungsabfall über der Kollektor-Emitter-Strecke des IGBT, d. h. die Durchlassspannung des Bauelements.
Das Bauelement sperrt, wenn der Inversionskanal in der Bodyzone 41 durch geeignete Ansteuerung der Gateelektrode 42 unterbrochen wird. Das Gatepotential d. h. das Potential der Gateelektrode 42 ist beispielsweise ein auf das Potential der Emitterelektrode 32 bzw. des n-Emitters 13 bezogenes Potential. Zur Ausbildung eines Inversionskanals wird an die Gateelektrode 42 ein bezogen auf das Emitter-Potential positives elektrisches Potential angelegt. Zum Unterbrechen des Inversionskanals wird das Gatepotential beispielsweise auf ein Potential gelegt, das dem Potential des Emitteranschlusses E entspricht oder sogar darunter liegt. Wenn das Bauelement sperrt, breitet sich ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Bodyzone 41 und der ersten Basiszone 12 eine Raumladungszone in der ersten Basiszone 12 aus, wobei gleichzeitig die in der ersten Basiszonen 12 vorhandenen, das Ladungsträgerplasma bildenden Ladungsträger abgeführt werden müssen. Löcher, d. h. p-Ladungsträger, müssen dabei über die p-Bodyzone 41 abgeführt werden, wobei die in diesem Zusammenhang entstehenden Verluste umso höher sind, je effektiver dieser p-Emitter ist. Elektronen, d. h. n-Ladungsträger müssen über den p-Emitter 11 zur positiv geladenen Kollektor-Elektrode 31 abgeführt werden, wobei wiederum Löcher in die erste Basiszone 12 injiziert und die Abschaltverluste dadurch weiter erhöht werden. Um diese Abschaltverluste zu reduzieren, besteht bei dem in den 1 und 2 dargestellten Bauelement die Möglichkeit, den p-Emitter 11 vor dem eigentlichen Abschalten des Bauelements, d. h. vor der Unterbrechung des Inversionskanals in der Bodyzone 41, durch geeignete Ansteuerung der weiteren Steuerelektrode 21 zu überbrücken.
Hierzu wird über den Steueranschluss G2 und die erste und zweite Verbindungszone 23, 25 ein Ansteuerpotential an die weitere Steuerelektrode 21 angelegt, das geeignet ist, einen leitenden Kanal, in dem Beispiel einen Inversionskanal, in dem p-Emitter 11 zwischen der ersten Basiszone 12 und der ersten Anschlusselektrode 31 auszubilden. Der p-Emitter 11 wird damit idealerweise überbrückt, zumindest wird jedoch dessen Effektivität deutlich reduziert, so dass bereits mit Ansteuerung der weiteren Steuerelektrode die Dichte der p-Ladungsträger in der ersten Basiszone 12 signifikant reduziert wird, weil Elektronen am p-Emitter 11 vorbei zum Kollektoranschluss 31 geführt werden. Bei vollständiger Überbrückung des p-Emitters 11 funktioniert das Bauelement wie ein MOSFET. Der Einschaltwiderstand des Bauelements erhöht sich nach Überbrücken des p-Emitters 11, weil mit dem zunächst weiter fließenden Laststrom Löcher aus der ersten Basiszone 12 in Richtung Bodyzone 41 abgeführt werden und weil wegen der für Elektronen wirksamen Überbrückung des p-Emitters 11 zum Kollektoranschluss 31 hin keine neuen Löcher aus dem p-Emitter 11 in die erste Basiszone 12 injiziert werden, so dass die Dichte des Ladungsträgerplasmas in der ersten Basiszone 12 sinkt und sich der Bahnwiderstand der ersten Basiszone 12 erhöht. Die hieraus resultierenden höheren Durchlassverluste sind allerdings geringer als die Abschaltverluste, die ohne Überbrücken des p-Emitters 11 entstehen würden.
In 4 ist anhand von Signalverläufen beispielhaft die Ansteuerung des Bauelements beim Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand dargestellt. Die Darstellung der Signalverläufe in 4 beginnt zu einem Zeitpunkt t0, zu dem das Bauelement leitet, was durch einen High-Pegel der Gate-Ansteuerspannung V_G dargestellt ist. Ab einem Zeitpunkt t1 soll das Bauelement sperrend angesteuert werden, was in 4 durch einen Übergang der Gate-Ansteuerspannung V_G von einem High-Pegel auf einen Low-Pegel repräsentiert ist. Zur Reduktion der Abschaltverluste wird der p-Emitter 11 ab einem Zeitpunkt t1 – ΔT durch geeignete Ansteuerung der weiteren Steuerelektrode 21 überbrückt, was in 4 durch einen High-Pegel der Ansteuerspannung V_G2 der weiteren Steuerelektrode 21 dargestellt ist.
Zur Ausbildung eines Inversionskanals im p-Emitter 11 ist ein elektrisches Potential der weiteren Steuerelektrode 21 erforderlich, das ausreichend positiv ist gegenüber dem elektrischen Potential des p-Emitters 11. Bei leitendem Bauelement liegt der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter im Bereich von wenigen Volt. Das zur Überbrückung des p-Emitters erforderliche Ansteuerpotential der weiteren Steuerelektrode 21 kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass eine positive Spannung zwischen den weiteren Steueranschluss G2 und den Emitteranschluss E angelegt wird. Diese Spannung kann um den Spannungsabfall über der Kollektor-Emitter-Strecke höher als die Gate-Ansteuerspannung gewählt werden. Darüber hinaus ist die erforderliche Ansteuerspannung des Steueranschlusses G2 von der Dotierung des p-Emitters abhängig sowie von der Dicke und von dem Material der weiteren Dielektrikumsschicht 22. Dabei gilt, dass die zur Ausbildung eines leitenden Kanals in dem p-Emitter erforderliche Spannung um so höher sein muss, je höher der p-Emitter 11 dotiert ist und je dicker die weitere Dielektrikumsschicht 22 ausgebildet ist. Vorteilhafterweise können die Dotierung des p-Emitters und die Dicke der weiteren Dielektrikumsschicht 22 so gewählt werden, dass gleiche Ansteuerspannungen für die Ansteuerung des Gateanschlusses G sowie des Steueranschlusses G2 gewählt werden können. Mit Überbrücken des p-Emitters 11 steigt die Laststreckenspannung V_KE des Bauelements an, was in 4 ab dem Zeitpunkt t1 – ΔT dargestellt ist.
Nach Unterbrechen bzw. Abschalten des Inversionskanals in der Bodyzone 41 steigt die Spannung zwischen Kollektor und Emitter des Bauelements an und in der ersten Basiszone 12 breitet sich ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der ersten Basiszone 12 und der Bodyzone 41 eine Raumladungszone aus. Steigt das elektrische Potential der ersten Anschlusselektrode 31 bei sperrendem Bauelement gegenüber dem elektrischen Potential der zweiten Anschlusselektrode 32 an, so steigt bedingt durch die kapazitive Kopplung zwischen dem p-Emitter 11 bzw. der ersten Anschlusselektrode 31 und der weiteren Steuerelektrode 21 auch das elektrische Potential der weiteren Steuerelektrode an. Steigt dieses Potential über das Potential des zweiten Ansteueranschlusses an, so beginnt sich in der ersten Verbindungszone 23 ebenfalls eine Raumladungszone auszubreiten. Wenn keine komplementär zu der ersten Verbindungszone 23 dotierte zweite Verbindungszone 25 vorhanden ist, finden ionisierte Dotierstoffatome in der ersten Verbindungszone 23 dabei eine entsprechende Gegenladung in der Bodyzone 41. Wenn eine zweite Verbindungszone 23 vorhanden ist, finden ionisierte Dotierstoffatome in der ersten Verbindungszone 23 eine entsprechende Gegenladung in der zweiten Verbindungszone 25 und gegebenenfalls der Bodyzone 41. Der Einfluss der Bodyzone 41 auf die Ausbildung einer Raumladungszone in der ersten Verbindungszone 23 ist jeweils umso größer, je dünner die Dielektrikumsschicht 24 zwischen der Bodyzone 24 und der ersten Verbindungszone 23 ist.
Die erste Verbindungszone 23 ist beispielsweise vom gleichen Leitungstyp wie die erste Basiszone 12 und kann insbesondere etwa gleich dotiert sein. Die optionale zweite Verbindungszone 25 ist in diesem Fall vom gleichen Leitungstyp wie die Bodyzone 41 und insbesondere etwa gleich hoch dotiert. Gemäß einem Beispiel ist vorgesehen, dass der pn-Übergang zwischen der ersten Verbindungszone 23 und der optionalen zweiten Verbindungszone 25 etwa auf Höhe des pn-Übergangs zwischen der ersten Basiszone 12 und der Bodyzone 41 liegt.
Mit zunehmender sich in der ersten Verbindungszone 23 ausbreitenden Raumladungszone steigt das elektrische Potential der weiteren Steuerelektrode 21 entsprechend des elektrischen Potentials des p-Emitters 11 bzw. der ersten Anschlusselektrode 31 an, wodurch eine Spannungsbelastung der Dielektrikumsschicht 22 zwischen dem p-Emitter 11 und der weiteren Steuerelektrode 21 gering gehalten wird. Die Ansteuerspannung an dem zweiten Ansteueranschluss G2 kann nach Abschalten des Bauelements (zum Zeitpunkt t1 in 4) abgeschaltet, d. h. auf einen Low-Pegel gesetzt werden, wie dies beispielhaft in 4 dargestellt ist. In nicht näher dargestellter Weise bestünde auch die Möglichkeit, die Ansteuerspannung an dem zweiten Ansteueranschluss G2 erst nach dem Abschalten der Ansteuerspannung an dem Gateanschluss G abzuschalten. Die Ansteuerspannung an dem weiteren Steueranschluss G2 muss spätestens vor einem nächsten Einschalten des Bauelements abgeschaltet werden, um mit dem Einschalten einen IGBT-Betrieb des Bauelements zu erreichen.
Wie bereits erwähnt, sind die Ansteuerspannung V_G für die Gateelektrode 42 und die Ansteuerspannung V_G2 für den weiteren Steueranschluss G2 beispielsweise Spannungen, die auf Emitterpotential bezogen sind. Beträge dieser Ansteuerspannungen liegen beispielsweise im Bereich zwischen 5 V und 25 V, insbesondere zwischen 10 V und 15 V, um einen Inversionskanal in der Bodyzone 41 ausbilden bzw. um den p-Emitter 11 zu überbrücken. Bei sperrendem Bauelement und damit ansteigendem Potential der weiteren Steuerelektrode 21 ”schirmt” die erste Verbindungszone 23 den weiteren Steueranschluss G2 gegenüber dem hohen Potential der ersten Steuerelektrode 21 ab. Abhängig von der Spannungsfestigkeit des Bauelements kann die Potentialdifferenz zwischen dem Kollektor und dem Emitteranschluss bis zu einige 100 V bzw. bis zu einigen kV betragen. Entsprechend kann die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Steuerelektrode 21 und dem weiteren Ansteueranschluss G2 ebenfalls einige 100 V bis zu einigen kV betragen, wobei diese Spannungsdifferenz durch die ausräumbare erste Verbindungszone 23 aufgenommen wird. Da die erste und die zweite Ansteuerspannung V_G, V_G2 jeweils auf Emitterpotential bezogene Spannungen sein können, können diese Ansteuerspannungen durch eine gemeinsame Ansteuerschaltung erzeugt werden. Die Erzeugung der Ansteuerspannung V_G2 der weiteren Steuerelektrode G2 kann dabei auf gleiche Weise erfolgen, wie die Erzeugung von Gate-Ansteuersignalen in herkömmlichen IGBT, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann.
Bezugnehmend auf 1 besteht optional die Möglichkeit, ein Entladungselement 51 zwischen die Steuerelektrode 51 und die erste Anschlusselektrode 31 zu schalten. Dieses Entladungselement 51 verhindert, dass sich im Verlauf mehrerer Schaltzyklen thermisch generierte Ladungsträger in der ersten Steuerelektrode 21 bzw. der ersten Verbindungszone 23 akkumulieren. Bei einer n-dotierten ersten Verbindungszone 23 wären die sich in dieser Verbindungszone akkumulierenden Ladungsträger Elektronen. Das Entladungselement 51 ist beispielsweise eine Diode, die bei einem IGBT mit n-dotierter erster Verbindungszone so verschaltet ist, dass das elektrische Potential der weiteren Steuerelektrode 21 nicht unter das elektrische Potential der ersten Anschlusselektrode 31 absinken kann. Anstelle einer Diode kann auch ein beliebiges anderes Gleichrichterelement, oder auch ein hochohmiger Widerstand verwendet werden. Der Widerstandswert sollte so klein gewählt werden, dass thermisch generierte Ladungsträger ohne großen Spannungsabfall zum Kollektoranschluss 31 abfließen können und so groß, dass der Leckstrom bei leitend angesteuertem Steueranschluss G2 noch bezüglich der Verlustleistung erträgliche Werte aufweist, wie z. B. im Bereich von einigen mA. Typische Widerstandswerte liegen zwischen etwa 1 kΩ und etwa 10 MΩ. Das Entladungselement koppelt außerdem das elektrische Potential der ersten Anschlusselektrode 31 an die Steuerelektrode und unterstützt so bei sperrendem Bauelement die Ausbreitung einer Raumladungszone in der ersten Verbindungszone 23.
Optional ist in Reihe zu dem Entladungselement eine Zenerdiode 52 geschaltet, die so verschaltet ist, das sie ein Absinken des elektrischen Potentials der weiteren Steuerelektrode 21 unter das elektrische Potential der Anschlusselektrode 31 erlaubt, und zwar um einen Wert, der der Durchbruchspannung der Zenerdiode 52 entspricht. Bei Vorhandensein dieser Zenerdiode wird verhindert, dass bei leitendem Bauelement während der Zeitperiode, während der die weitere Steuerelektrode 21 nicht angesteuert ist, und damit beispielsweise auf oder unter dem Emitterpotential, d. h. dem Potential des Emitteranschlusses liegt, liegt, kein Ladungsausgleich zwischen der Steuerelektrode 21 und dem Kollektorpotential, d. h. dem Potential der Anschlusselektrode 31, stattfindet. Die Zenerdiode ist dabei geeignet dimensioniert, dass sie die bei leitendem Bauelement zwischen der weiteren Steuerelektrode 21 und der ersten Anschlusselektrode 31 anliegende Potentialdifferenz aufnehmen kann, ohne durchzubrechen. Die Durchbruchspannung liegt hierfür beispielsweise im Bereich zwischen einigen Volt und etwa 20 V.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei einem Bauelement, bei dem die einzelnen Bauelementzonen komplementär zu den bisher erläuterten Dotierungstypen dotiert sind, die Polaritäten der Dioden 51, 52 zu vertauschen sind. Das optionale Entladungselement 51 und die optionale Zenerdiode 52 sind in 1 lediglich anhand von deren Schaltsymbole dargestellt. Diese Bauelemente können auf beliebige herkömmliche Weise realisiert sein und können an einer beliebigen Position der Steuerelektrode 21 und der Anschlusselektrode 31 zwischen diese Bauelementzonen geschaltet sein.
Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die bisher anhand der 1 und 2 erläuterte Steuerstruktur 20 selbstverständlich auch bei lateralen Bauelementen angewendet werden kann, also bei Bauelementen, bei denen die Stromflussrichtung im Gegensatz zu den Bauelementen gemäß der 1 und 2 in einer lateralen bzw. horizontalen Richtung eines Halbleiterkörpers, in dem die einzelnen Bauelementzonen integriert sind, verläuft.
5 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als IGBT realisierten Bauelements. Dieses Bauelement unterscheidet sich von dem in den 1 und 2 dargestellten Bauelement dadurch, dass die Steuerstruktur 40 zellenartig aufgebaut ist und eine Vielzahl gleichartiger Steuerzellen, die nachfolgend auch als Transistorzellen bezeichnet werden, aufweist. Die einzelnen Zellen umfassen jeweils eine in einem Graben angeordnete Gateelektrode 42 bzw. einen Abschnitt einer Gateelektrode, die durch ein Gatedielektrikum 43 gegenüber der Bodyzone 41 isoliert ist. Anders als bei den Bauelementen gemäß der 1 und 2, bei denen sich der Inversionskanal in der Bodyzone 41 in einer lateralen Richtung des Halbleiterbauelements ausbildet, breiten sich Inversionskanäle bei dem Bauelement gemäß 5 in vertikaler Richtung des Bauelements bzw. Halbleiterkörpers 100 aus. Die einzelnen Steuerzellen weisen jeweils eine zweite Emitterzone 13 bzw. einen Abschnitt der zweiten Emitterzone 13 auf, die gemeinsam durch die zweite Anschlusselektrode 32 kontaktiert sind. Im dargestellten Beispiel kontaktiert die zweite Anschlusselektrode 32 auch die Bodyzone 41, und schließt damit die Bodyzone und die zweite Emitterzone 13 kurz. Im Bereich des Anschlusses der Bodyzone 41 an die zweite Anschlusselektrode 32 kann die Bodyzone 41 höher dotierte Abschnitte 41' aufweisen.
Die bei dem Bauelement gemäß 5 dargestellte weitere Steuerstruktur 20 entspricht der anhand der 1 und 2 erläuterten Steuerstruktur, so dass die bezüglich dieser Steuerstruktur gemachten Ausführungen für das Bauelement gemäß 5 entsprechend gelten. Die Steuerelektrode 21 kann entsprechend der Ausführungen zu 1 als gemeinsame Halbleiterzone mit der ersten Verbindungszone 23 realisiert sein, kann jedoch auch als Zone aus einem elektrisch hoch leitendem Material realisiert sein (gestrichelt dargestellt). Bei der zuerst genannten Variante ist an dem der zweiten Verbindungszone 25 abgewandten Ende der ersten Verbindungszone 23 optional eine Feldstoppzone 26 vorgesehen, die vom gleichen Leitungstyp wie die erste Verbindungszone 23 ist, die jedoch höher dotiert ist. Diese Feldstoppzone verhindert bei sperrendem Bauelement, dass die sich in der ersten Verbindungszone 23 ausbreitende Raumladungszone sich bis an die Dielektrikumsschicht 22 zwischen der Steuerelektrode 21 und der ersten Anschlusselektrode 31 erstreckt.
Optional ist zwischen der ersten Basiszone 12 und der ersten Emitterzone 11 ebenfalls eine Feldstoppzone 14 vorhanden, die vom gleichen Leitungstyp wie die erste Basiszone 12, jedoch höher dotiert ist. Diese Feldstoppzone 14 verhindert bei sperrendem Bauelement, dass die sich in der ersten Basiszone 12 ausbreitende Raumladungszone bis an den ersten Emitter 11 durchgreift. Optional sind Emitterkurzschlüsse (gestrichelt dargestellt) vorhanden, in deren Bereich die Feldstoppzone 14 bis an die erste Anschlusselektrode 31 reicht. Eine Dotierungskonzentration der Feldstoppzone 14 ist so gewählt, dass ein Integral der Dotierstoffkonzentration der Feldstoppzone 14 und der ersten Basiszone 12 in Stromflussrichtung, d. h. in dem Beispiel in vertikaler Richtung, größer ist als die sogenannte Durchbruchsladung, die bei Silizium im Bereich von 2·10¹² cm^–2 liegt.
Besteht die Steuerelektrode 21 aus einem anderen Material als die erste Verbindungszone 23, was in 5 gestrichelt dargestellt ist, so reicht die Steuerelektrode 21 mindestens bis auf Höhe der Feldstoppzone 14 und überlappt die Feldstoppzone 14 damit zumindest teilweise.
Der Kanalquerschnitt des Kanals in der ersten Emitterzone 11, der sich gesteuert durch die erste Steuerelektrode 21 ausbildet, ist abhängig davon, wie die Abmessungen dieser Steuerelektrode 21 in lateraler Richtung – d. h. in dem Beispiel in der senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Richtung – entlang der ersten Emitterzone 11 ist, und abhängig davon, wie viele Steuerelektroden 21 benachbart zu der ersten Emitterzone 11 vorgesehen sind.
6 veranschaulicht anhand eines Querschnitts in einer horizontalen Schnittebene A-A ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere weitere Steuerelektroden 21 vorgesehen sind, die jeweils als langgestreckte Streifen ausgebildet sind. Die Geometrie der weiteren Steuerelektroden 21 ist hierbei unabhängig von der Geometrie der Transistorzellen. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die einzelnen Transistorzellen ebenfalls streifenförmig auszubilden. Dies ist im linken Teil der 6 dargestellt, wobei zur Veranschaulichung der Geometrie der Transistorzellen lediglich die Geometrie der Gateelektrode 42 schematisch dargestellt ist. die Gateelektrode 42 ist gepunktet dargestellt, da sie sich in vertikaler Richtung des Bauelements oberhalb der Schnittebene A-A befindet. Wie im rechten Teil von 6 dargestellt ist, können die einzelnen Transistorzellen auch als hexagonale Zellen realisiert werden, d. h. mit einer Gateelektrode 42, die in Draufsicht die Geometrie eines Gitters mit hexagonalen Aussparungen besitzt. Selbstverständlich sind beliebige andere herkömmliche Transistorzellen-Geometrien im Zusammenhang mit dem erläuterten Bauelement ebenfalls anwendbar.
7 veranschaulicht anhand eines Querschnitts in der Schnittebene A-A ein Bauelement, das sich von dem in 6 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die weitere Steuerelektrode 21 in Draufsicht eine rasterförmige Geometrie besitzt. Das Raster ist in dem dargestellten Beispiel ein rechteckförmiges, insbesondere quadratisches, Raster. Das Raster könnte jedoch auch eine andere Rastergeometrie besitzen.
8 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines Halbleiterbauelements anhand eines Querschnitts in der Schnittebene A-A. Bei diesem Bauelement sind die einzelnen weiteren Steuerelektroden 21 säulenförmig ausgebildet. Diese Säulen besitzen in dem dargestellten Beispiel einen rechteckförmigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt, könnten jedoch auch einen beliebigen anderen Querschnitt, wie z. B. einen kreisförmigen Querschnitt, besitzen. Die Geometrie der Transistorzellen, die in den 7 und 8 nicht dargestellt sind, ist dabei völlig unabhängig von der Geometrie der Steuerelektroden 21.
Die Geometrie der ersten und zweiten Verbindungszonen 22, 25 kann der Geometrie der weiteren Steuerelektrode 21 entsprechen. In diesem Fall ist oberhalb der weiteren Steuerelektrode 21 stets eine erste und eine zweite Verbindungszone 23, 25 vorhanden.
Bezugnehmend auf 9, in der eine vertikale Querschnittdarstellung eines weiteren Beispiels eines Halbleiterbauelements dargestellt ist, besteht auch die Möglichkeit, die weitere Steuerelektrode 21 nur abschnittsweise mittels der ersten Verbindungszone 23 zu kontaktieren. In diesem Fall gibt es Abschnitte der Steuerelektrode 21, die unterhalb des Transistorzellenfeldes angeordnet sind – wie dies im linken Teil von 9 dargestellt ist – und die elektrisch leitend mit einem solchen Abschnitt verbunden sind, der über die Verbindungszonen 23, 25 an den Steueranschluss G2 angeschlossen ist. Vorteile diese Anordnung sind, dass die Eingangskapazität bezüglich des Steueranschlusses G2 erheblich reduziert werden kann. Diese Eingangskapazität ist die Summe der Kapazität C_G2K zwischen dem Steueranschluss G2 und dem Kollektor K und der Kapazität C_G2E zwischen dem Steueranschluss G2 und dem Emitter E. Außerdem wird die aktive Fläche für den Fluss des Laststromes weniger reduziert wird, da die Steuerstruktur 20 weniger Platz in der ersten und zweiten Basiszone 11, 41 verbraucht.
Bezugnehmend auf 10, die einen horizontalen Querschnitt durch das Bauelement gemäß 9 in einer Schnittebene B-B zeigt, ist die Steuerelektrode 21 beispielsweise in horizontaler Ebene als rasterförmige bzw. gitterförmige Elektrode realisiert. Die erste und zweite Verbindungszone, die in 10 gepunktet dargestellt sind, und die eine Kontaktierung der Ansteuerelektrode 21 über die Vorderseite des Bauelements ermöglichen, können beispielsweise als säulenförmige Zonen (wie in 10 dargestellt) ausgebildet sein. Selbstverständlich können diese Zonen auch eine andere Geometrie, wie z. B. eine streifenförmige Geometrie besitzen, wie dies im linken Teil von 10 dargestellt ist.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich die Dicke des Dielektrikums 24 im Bereich der ersten Verbindungszone 23 deutlich von der Dicke des Dielektrikums 22 im Bereich der weiteren Steuerelektrode 21 unterscheiden kann. Insbesondere kann das Dielektrikum 24 (anders als in den Figuren dargestellt) deutlich dicker als das Dielektrikum 22 ausgeführt sein, wodurch eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten Verbindungszone 23 und der ersten Basiszone 12 verringert werden kann. Für ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Bauelements ist eine solche kapazitive Kopplung zwischen der ersten Verbindungszone 23 und der ersten Basiszone 12 nicht erforderlich. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Anordnung der ersten Verbindungszone 23 benachbart zu der ersten Basiszone 12 lediglich als Beispiel zu verstehen ist. Die räumliche Anordnung dieser Zonen 12, 23 könnte auch anders erfolgen, sofern gewährleistet ist, dass die erste Verbindungszone 23 bei sperrendem Bauelement eine Sperrspannung aufnehmen kann.
11A zeigt eine vertikale Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelements. Der Halbleiterkörper 100, in dem die Bauelementzonen dieses Bauelements integriert sind, weist einen Innenbereich 110 und einen Randbereich 120 auf, wobei der Randbereich 120 zwischen dem Innenbereich 110 und einer Rand- bzw. einer Seitenfläche 103 des Halbleiterkörper 100 angeordnet ist. Im Innenbereich des Bauelements 110 sind die aktiven Bauelementzonen des Bauelements, wie die erste und zweite Emitterzone 11, 13, die erste Basiszone 12, die Bodyzone 41 und die Gateelektrode 42 angeordnet. Eine Dotierung des Halbleiterkörpers 100 im Randbereich 120 entspricht beispielsweise einer Dotierung der ersten Basiszone. Das Vorhandensein einer dotierten Zone 11' im Randbereich, die bezüglich ihrer Dotierung der ersten Emitterzone 11 entspricht, ist optional, ebenso wie das Vorhandensein einer dotierten Zone 14' deren Dotierung der der Feldstoppzone 14 entspricht.
Im Bereich der Vorderseite 101 ist im Randbereich optional eine dotierte Zone 41' vorhanden, die bezüglich ihrer Dotierung der Bodyzone entspricht. Optional weist das Bauelement im Randbereich außerdem laterale Randabschlussstrukturen, wie z. B. Feldplatten (schematisch dargestellt), Feldringe, Dotiergebiete im Halbleiter und Abdeck- bzw. Passivierungsschichten (jeweils nicht dargestellt) auf.
Bei dem dargestellten Bauelement sind die erste und zweite Verbindungszone 23, 25, die die Steuerelektrode 21 an den Steueranschluss G2 anschließen, zwischen dem Innenbereich und dem Randbereich 120 angeordnet und umgeben den Innenbereich ringförmig. Letzteres ist in 11B anhand einer Draufsicht auf den Halbleiterkörper 100 schematisch dargestellt. Die zweite Verbindungszone 25, die bis an die Vorderseite reicht, und die die zweite Verbindungszone 25 in lateraler Richtung begrenzende Dielektrikumsschicht 24 sind in der schematischen Darstellung gemäß 11B als dicke Linie eingezeichnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind weitere Bauelementzonen in der Darstellung gemäß 11B nicht gezeigt.
Bezugnehmend auf 11A bildet die Dielektrikumsschicht 24, die die erste und zweite Verbindungszone 23, 25 gegenüber übrigen Bereichen des Halbleiterkörpers dielektrisch isoliert, bei diesem Bauelement eine dielektrische Isolation zwischen dem Innenbereich 110 und dem Randbereich 120 des Bauelements. Diese Isolation verhindert, dass der Randbereich des Bauelements 120 bei leitendem Bauelement durch Ladungsträger überflutet wird. Die Schaltrobustheit des Bauelements kann dadurch erhöht werden. Im Übrigen wird verhindert, dass sich im Randbereich ein Ladungsträgerplasma ausbildet, das nicht zum Stromtransport bei leitendem Bauelement beiträgt, was insbesondere bei kleinen Bauelementen, d. h. bei Bauelementen bei denen der Randbereich eine vergleichsweise große Fläche an der Gesamtfläche des Bauelements einnimmt, zu einem verbesserten Verhältnis zwischen Schaltverlusten und Durchlassverlusten führt. Darüber hinaus ist das Bauelement besser steuerbar, wenn der Randbereich nicht durch Ladungsträger überflutet wird.
Das Vorhandensein der den Innenbereich ringförmig umschließenden ersten und zweiten Verbindungszonen 23, 25 schließt nicht aus, dass im Innenbereich noch weitere erste und zweite Verbindungszonen 23, 25 vorhanden sind, die im Innenbereich dazu dienen, einzelne Abschnitte der Steuerelektrode 21 zu kontaktieren.
Die Dielektrikumsschicht 24 kann im Randbereich dazu ausgebildet sein, im Sperrfall des Bauelements die gesamte zwischen dem Innenbereich und dem Randbereich anliegende Spannung, also die gesamte Kollektor-Emitter-Spannung aufzunehmen. In diesem Fall kann die die Dielektrikumsschicht 24 im Randbereich dicker realisiert sein, als in übrigen Bereichen des Bauelements. Um beispielsweise eine Sperrspannung von 1 kV aufzunehmen, beträgt die Dicke der Dielektrikumsschicht etwa 2,5 μm. Sofern die Dielektrikumsschicht 24 geeignet ist, die Sperrspannung des Bauelements im Randbereich aufzunehmen, dient die Dielektrikumsschicht 24 als Randabschluss, so dass auf weitere Randabschlussstrukturen, wie z. B. Feldplatten oder Feldringe gegebenenfalls verzichtet werden kann, oder dass diese weitere Randabschlussstrukturen bezüglich ihrer Abmessungen reduziert werden können.
Sofern die Dielektrikumsschicht 24 die Sperrspannung nicht aufnehmen muss, beispielsweise im Innenbereich oder wenn andere Randabschlussstrukturen vorhanden sind, ist eine Dicke im Bereich von einigen 100 nm ausreichend.
Das zuvor erläuterte Konzept, mittels einer Steuerstruktur 20 eine Emitterzone 11 eines bipolaren Bauelements kurz vor dem Abschalten des Bauelements zu überbrücken, ist selbstverständlich nicht auf IGBTs beschränkt. Bezugnehmend auf 12 kann dieses Konzept beispielsweise auch bei Thyristoren, insbesondere bei GTOs (Gate-Turn-Off-Thyristor) angewendet werden. Grundsätzlich unterscheidet sich ein Thyristor von einem IGBT dadurch, dass bei einem Thyristor kein Inversionskanal in der zweiten Basiszonen zu steuern ist. Statt dessen ist ein Zündanschluss bzw. Gateanschluss zum Zünden des Bauelements vorhanden. Dieser Zündanschluss ist bei einem GTO ein elektrischer Anschluss 44 der Basiszone 41, wie dies in 12 dargestellt ist. Ein Thyristor, der nicht gategesteuert abgeschaltet werden soll, kann auch mit einer anderen Zündstruktur, wie beispielsweise einer Lichtzündstruktur (nicht dargestellt) ausgestattet sein. Die Dotierungstypen und die Dotierungskonzentration des ersten Emitters 11, des zweiten Emitters 13, der ersten Basis 12 und der zweiten Basis 41 sind beispielsweise entsprechend denen des zuvor erläuterten IGBT. Der Emitteranschluss E eines Thyristors wird auch als Kathodenanschluss K, und der Kollektoranschluss K eines Thyristors wird auch als Anodenanschluss A bezeichnet.
Die weitere Steuerstruktur 40 mit der weiteren Steuerelektrode 21 dient zur Steuerung eines leitenden Kanals in der ersten Emitterzone 11, beispielsweise kurz vor dem Abschalten des Bauelements. Ein GTO kann in hinlänglich bekannter Weise durch geeignete Ansteuerung der Gateelektrode 44, G leitend und sperrend angesteuert werden.
Bezüglich der Funktionsweise und der Ausgestaltung der weiteren Steuerstruktur 20 gelten die zuvor im Zusammenhang mit dem erläuterten IGBT gemachten Aussagen entsprechend.
Bezugnehmend auf 13, in der ein Querschnitt durch ein als Diode ausgebildetes Bauelement dargestellt ist, kann das erläuterte Steuerkonzept unter Verwendung der erläuterten Steuerstruktur 20 auch bei einer Diode angewendet werden. Die Steuerstruktur 20 dient bei einer Diode beispielsweise zur gesteuerten Überbrückung einer n-dotierten ersten Emitterzone 11. Die erste Emitterzone 11, zu der die Steuerelektrode benachbart angeordnet ist, ist bei dem in 13 dargestellten Bauelement damit beispielsweise n-dotiert. Die erste Basiszone 12 ist n-dotiert oder p-dotiert, und die zweite Emitterzone 13 ist komplementär zu der ersten Emitterzone 11 dotiert, d. h. beispielsweise p-dotiert. Eine zweite Basiszone ist bei einer Diode nicht vorhanden. Die erste Emitterzone 11 ist durch die erste Anschlusselektrode 31 kontaktiert, die bei einer n-dotierten ersten Emitterzone 11 einen Kathodenanschluss K bildet, und die zweite Emitterzone 13 ist durch die zweite Anschlusselektrode 32 kontaktiert, die bei einer p-dotierten zweiten Emitterzone 11 einen Anodenanschluss A bildet.
Zur Überbrückung des n-Emitters 11 ist ein bezogen auf das Potential des Kathodenanschlusses negatives Potential an die Steuerelektrode 21 über den Steueranschluss G2 anzulegen. Die erste Verbindungszone 23 ist bei dem dargestellten Bauelement beispielsweise n- oder p-dotiert, und die optionale zweite Verbindungszone 25 ist beispielsweise p-dotiert. bezüglich der Dotierungskonzentrationen der einzelnen Bauelementzonen der Diodenstruktur und der Steuerstruktur gelten die zuvor zu dem IGBT gemachten Aussagen entsprechend.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, insbesondere Merkmale der weiteren Steuerstruktur, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch dann mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, wenn dies zuvor nicht explizit erwähnt wurde. Im übrigen gelten Ausführungen die bezüglich eines Beispiels gemacht wurden, entsprechend auch für die anderen Beispiele, wenn nichts gegenteiliges ausgeführt ist.

Claims

Halbleiterbauelement, das aufweist: eine erste Emitterzone (11) eines ersten Leitungstyps; eine zweite Emitterzone (13) eines zweiten Leitungstyps; eine zwischen der ersten und der zweiten Emitterzone (11, 13) angeordnete erste Basiszone (12); eine erste Steuerstruktur (20) mit einer Steuerelektrode (21), die benachbart zu der ersten Emitterzone (11) angeordnet ist, die durch eine erste Dielektrikumsschicht (22) gegenüber der ersten Emitterzone isoliert ist und die sich in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements erstreckt, mit einem ersten Steueranschluss (G2), und mit wenigstens einer zwischen dem ersten Steueranschluss (G2) und der ersten Steuerelektrode (21) angeordneten ersten Verbindungszone (23) aus einem Halbleitermaterial.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die erste Basiszone (12) niedriger dotiert ist als die erste und/oder zweite Emitterzone (11, 13).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Steuerelektrode (21) benachbart zu der ersten Basiszone (12) angeordnet ist und durch eine zweite Dielektrikumsschicht (24) gegenüber der ersten Basiszone (12) isoliert ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem die zweite Dielektrikumsschicht (24) dicker als die erste Dielektrikumsschicht (22) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste Verbindungszone (23) und die erste Steuerelektrode (21) durch eine gemeinsame Halbleiterzone gebildet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste Steuerelektrode (21) aus einem Metall oder einem dotierten polykristallinen Halbleitermaterial besteht.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Verbindungszone (23) aus einem monokristallinen Halbleitermaterial besteht.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei dem die erste Verbindungszone derart dotiert ist, dass sie vollständig ausräumbar ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die erste Steuerstruktur weiterhin aufweist: eine zweite Verbindungszone (25), die komplementär zu der ersten Verbindungszone (23) dotiert ist und die wenigstens abschnittsweise zwischen der ersten Verbindungszone (23) und dem ersten Steueranschluss (G2) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: eine Feldstoppzone (14) des zweiten Leitungstyps, die höher als die erste Basiszone (12) dotiert ist und die zwischen der ersten Basiszone (12) und der ersten Emitterzone (11) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: eine erste Anschlusszone (31), die die erste Emitterzone (11) kontaktiert, wobei sich die erste Steuerelektrode (21) in der Stromflussrichtung von der ersten Basiszone (12) oder von der Feldstoppzone (14) bis zu der ersten Anschlusszone (31) erstreckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Feldstoppzone (14) beabstandet zu der ersten Steuerelektrode (21) abschnittsweise bis zu der ersten Anschlusszone (31) reicht.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: einen Halbleiterkörper (100) mit einem Innenbereich (110) und einem Randbereich, der zwischen dem Innenbereich und einem Rand (103) des Halbleiterkörpers angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Emitterzone (11, 13) und die erste Basiszone (12) im Innenbereich des Halbleiterkörpers angeordnet sind, und wobei die erste Verbindungszone (23) und die zweite Dielektrikumsschicht (24) zwischen dem Innenbereich (110) und dem Randbereich (120) angeordnet sind und den Innenbereich ringförmig umschließen.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüchen, bei dem die erste Steuerelektrode (21) in einer Ebene quer zu der Stromflussrichtung streifenförmig, gitterförmig oder säulenförmig ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Verbindungszone (23) vom zweiten Leitungstyp ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite Emitterzone (11, 13) in einem Halbleiterkörper (100) angeordnet sind und in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers zueinander beabstandet sind, bei dem die zweite Emitterzone (13) im Bereich einer Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordnet ist, und bei dem sich die erste Verbindungszone in der vertikalen Richtung in Richtung der Vorderseite erstreckt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das als IGBT ausgebildet ist, bei dem die erste Basiszone vom zweiten Leitungstyp ist, und das weiterhin aufweist: eine zweite Steuerstruktur (40) mit einer zweiten Basiszone (41) des ersten Leitungstyps, die zwischen der ersten Basiszone (12) und der zweiten Emitterzone (13) angeordnet ist, einer Gateelektrode (42) die durch eine dritte Dielektrikumsschicht (43) gegenüber der zweiten Basiszone (41) isoliert ist, und die sich benachbart zu der zweiten Basiszone (41) von zweiten Emitterzone (13) bis zu der ersten Basiszone (12) erstreckt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das als Thyristor ausgebildet ist, bei dem die erste Basiszone vom zweiten Leitungstyp ist, und das weiterhin aufweist: eine zwischen der ersten Basiszone (12) und der zweiten Emitterzone (13) angeordnete zweite Basiszone (41) die komplementär zu der ersten Basiszone dotiert ist.
Thyristor nach Anspruch 18, bei dem die zweite Basiszone durch eine Anschlusselektrode (G) kontaktiert ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das als Diode realisiert ist.