DE102010001215A1

DE102010001215A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102010001215A1
Application number: DE102010001215A
Authority: DE
Inventors: Hiromitsu Kariya-city Tanabe; Kenji Kariya-city Kouno; Yukio Kariya-city Tsuzuki; Shinji Kariya-city Amano
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: CN101794778A; DE102010001215B4; US20100187567A1; JP2010199559A; CN101794778B; JP4905559B2; US8242536B2

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung weist ein Halbleitersubstrat (10) mit einer ersten Ober fläche (10a) und einer zweiten Oberfläche (10b) auf. Ein Hauptbereich (11) und ein Messbereich (13) sind auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet. Ein RC-IGBT ist im Hauptbereich (11) gebildet, und ein Messelement (32) zum Durchlassen elektrischer Ströme proportional zu durch den RC-IGBT fließenden elektrischen Strömen ist im Messbereich (13) gebildet. Ein Kollektor-Bereich (24) und ein Kathoden-Bereich (25, 27) des Messelements (32) sind auf der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet. Der Kollektor-Bereich (24) ist in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) direkt unterhalb des Messbereichs (13) angeordnet. Der Kathoden-Bereich (25, 27) ist in der Dickenrichtung nicht direkt unterhalb des Messbereichs (13) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und einer Freilaufdiode (FWD), die in demselben Halbleitersubstrat gebildet sind.
Die JP-2005-57235 A und die JP-2008-53648 offenbaren beispielsweise eine Halbleitervorrichtung mit einem vertikalen IGBT und einer vertikalen FWD, die in demselben Halbleitersubstrat gebildet sind. Solch eine Halbleitervorrichtung wird als rückwärts leitender Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (RC-IGBT) bezeichnet.
Bei einem RC-IGBT sind eine Anode der FWD und ein Emitter des IGBT als gemeinsame Elektrode gebildet und eine Kathode der FWD und ein Kollektor des IGBT als gemeinsame Elektrode gebildet. Der RC-IGBT ist beispielsweise in eine Inverterschaltung integriert und wird zur PWM-(Pulsbreitenmodulation)-Steuerung einer elektrischen Last, wie beispielsweise eines Motors, verwendet.
Die JP-2004-88001 A und die JP-3156487 offenbaren beispielsweise eine Halbleitervorrichtung mit einem IGBT und einem IGBT-Messelement, die in demselben Halbleitersubstrat gebildet sind. Das IGBT-Messelement ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom proportional zu einem durch den IGBT fließenden elektrischen Strom durchzulassen. Der IGBT wird vor einem Überstrom geschützt, indem der durch das IGBT-Messelement fließende Strom erfasst wird.
Bei einer weiteren herkömmlichen Halbleitervorrichtung sind p-leitende Basis-Bereiche entlang einer Oberfläche eines n-leitenden Halbleitersubstrats wiederholt im Halbleitersubstrat gebildet. Der an einem Ende der Basisbereiche angeordnete Basisbereich weist einen p⁺-leitenden Basiskontaktbereich auf, jedoch keinen n⁺-leitenden Emitter-Bereich. Wenn der an dem Ende der Basisbereiche angeordnete Basisbereich den Basiskontaktbereich aufweist, können Löcher, die während eines Betriebs des IGBT von einem p⁺-leitenden Kollektor-Bereich in das Halbleitersubstrat injiziert werden, zum Zeitpunkt eines Schaltens des IGBT effizient durch den Basiskontaktbereich gezogen werden. Folglich werden die Löcher derart verringert, dass eine Stromkonzentration auf den Basisbereich mit dem Emitter-Bereich verringert werden kann. Folglich kann eine Beständigkeit des IGBT gegenüber einem Durchbruch verbessert werden.
Es sollte beachtet werden, dass dann, wenn ein RC-IGBT in einer Inverterschaltung verwendet wird, ein an ein Gate eines IGBT einer oberen Seite der Inverterschaltung gelegtes Ansteuersignal für gewöhnlich gegenphasig zu einem an ein Gate eines IGBT einer unteren Seite der Inverterschaltung gelegten Ansteuersignal ist. Folglich besteht dann, wenn eine induktive Last mit der Inverterschaltung verbunden wird, die Möglichkeit, dass das Ansteuersignal auch während eines Freilaufbetriebs einer FWD an das Gate des IGBT gelegt wird. Dies führt dazu, dass das Gate des IGBT während des Betriebs der FWD eingeschaltet wird, so dass der IGBT und die FWD gleichzeitig arbeiten können.
Bei dem RC-IGBT sind eine Anode der FWD und ein Emitter des IGBT, wie vorstehend beschrieben, als eine gemeinsame Elektrode gebildet, und sind eine Kathode der FWD und ein Kollektor des IGBT als eine gemeinsame Elektrode gebildet. Folglich versuchen die Anode und die Kathode der FWD dann, wenn das Gate des IGBT während eines Betriebs der FWD eingeschaltet wird, das gleiche Potential anzunehmen. Dies führt dazu, dass sich die FWD mit geringerer Wahrscheinlichkeit im Durchlassbetrieb befindet. Folglich wird dann, wenn das Ansteuersignal an das Gate des IGBT gelegt wird, eine Durchlassspannung Vf der FWD erhöht. Dies führt dazu, dass ein DC-Verlust der Halbleitervorrichtung erhöht wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben berücksichtigt, dass das obige Problem gelöst werden kann, indem zusätzlich zu einem IGBT-Messelement ein FWD-Messelement zu einem RC-IGBT hinzugefügt wird. Das FWD-Messelement ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom proportional zu einem durch eine FWD des RC-IGBT fließenden elektrischen Strom durchzulassen. Folglich kann erfasst werden, ob der elektrische Strom durch die FWD fließt, indem das FWD-Messelement verwendet wird. Das Erfassungsergebnis wird zu einer Gate-Ansteuerschaltung rückgekoppelt. Während eines Betriebs der FWD schaltet die Gate-Ansteuerschaltung ein an den IGBT gelegtes Gate-Ansteuersignal aus. Auf diese Weise kann der DC-Verlust verringert werden.
In diesem Fall sind das IGBT-Messelement und das FWD-Messelement in demselben Substrat wie der RC-IGBT gebildet. Folglich wird ein RC-IGBT, wie vorstehend beschrieben, gebildet, indem ein IGBT und eine FWD kombiniert werden. Demgemäß können das IGBT-Messelement und das FWD-Messelement miteinander kombiniert werden, um ein kombiniertes Messelement zu bilden.
Das kombinierte Messelement ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom proportional zu einem durch den IGBT fließenden elektrischen Strom und einen elektrischen Strom proportional zu einem durch die FWD fließenden elektrischen Strom durchzulassen. Für gewöhnlich sind die durch das kombinierte Messelement fließenden. elektrischen Ströme geringer als die durch den RC-IGBT fließenden elektrischen Ströme. Folglich ist, obgleich das kombinierte Messelement den gleichen Aufbau wie der RC-IGBT aufweist, die Größe des kombinierten Messelements geringer als die Größe des RC-IGBT. So liegt die Größe des kombinierten Messelements beispielsweise ungefähr zwischen einem Tausendstel und einem Zehntausendstel der Größe des RC-IGBT.
Das kombinierte Messelement weist, wie vorstehend beschrieben, den gleichen Aufbau wie der RC-IGBT auf. Insbesondere weist ein Teil der Basisbereiche bei dem kombinierten Messelement einen Emitter-Bereich und einen Basiskontaktbereich auf. Der Teil der Basisbereiche dient nicht nur als Kanalbereich, sondern ebenso als Anodenbereich eines FWD-Messelements. Da ein Kathodenbereich des FWD-Messelements direkt unterhalb der Basisbereiche angeordnet ist, ist der Abstand zwischen dem Kathodenbereich und den Basisbereichen gering. Folglich wird während eines Betriebs der FWD des RC-IGBT eine große Anzahl von Löchern durch den Basis-kontaktbereich in das Halbleitersubstrat injiziert. Dies führt dazu, dass eine Beständigkeit der FWD gegenüber einem Durchbruch während einer Erholung der FWD verringert (herabgesetzt) wird.
Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung mit einem RC-IGBT und einem kombinierten Messelement zum Messen von durch den RC- IGBT fließenden elektrischen Strömen bereitzustellen, wobei eine Beständigkeit einer FWD gegenüber einem Durchbruch während einer Erholung der FWD verbessert wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, mit: einem Halbleitersubstrat ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche, wobei das Halbleitersubstrat eine Dickenrichtung von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche und eine planare Richtung senkrecht zur Dickenrichtung aufweist; einem Hauptbereich, der auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist und eine erste Größe entlang der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats aufweist, wobei der Hauptbereich einen vertikalen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode zum Durchlassen eines ersten Stroms und eine vertikale Freilaufdiode zum Durchlassen eines zweiten Stroms aufweist, und wobei die Freilaufdiode antiparallel zum Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode geschaltet ist; und einem Messbereich, der auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist und eine zweite Größe entlang der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats aufweist, wobei die zweite Größe geringer als die erste Größe ist, und wobei der Messbereich ein Messelement zum Durchlasen eines dritten Stroms proportional zum ersten Strom und zum Durchlassen eines vierten Stroms proportional zum zweiten Strom aufweist, wobei der Messbereich einen Basisbereich zweiten Leitfähigkeitstyps an einem Oberflächenabschnitt der Seite ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats aufweist, wobei der Basisbereich mehrere Basisabschnitte aufweist, die in einer ersten Richtung parallel zur planaren Richtung des Halbleitersubstrats angeordnet sind, ein erster Abschnitt der mehreren Basisabschnitte einen ersten Bereich ersten Leitfähigkeitstyps an seinem Oberflächenabschnitt aufweist, wobei der erste Bereich eine höhere Störstellenkonzentration als das Halbleitersubstrat aufweist, ein zweiter Abschnitt der mehreren Basisabschnitte an einem Ende des Basisbereichs in der ersten Richtung angeordnet ist, sowohl der erste Abschnitt der mehreren Basisabschnitte als auch der zweite Abschnitt der mehreren Basisabschnitte einen Basiskontaktbereich zweiten Leitfähigkeitstyps an seinem Oberflächenabschnitt aufweist, wobei der Basiskontaktbereich eine höhere Störstellenkonzentration als der Basisbereich aufweist, der erste Bereich elektrisch mit dem Basiskontaktbereich verbunden ist, ein zweiter Bereich zweiten Leitfähigkeitstyps an einem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersub strats gebildet und in der Dickenrichtung direkt unterhalb des Basisbereichs des Messbereichs angeordnet ist, der dritte Strom zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich fließt, ein dritter Bereich zweiten Leitfähigkeitstyps an dem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist und eine höhere Störstellenkonzentration als das Halbleitersubstrat aufweist, der vierte Strom zwischen dem Basiskontaktbereich und dem dritten Bereich fließt, und der dritte Bereich in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats einen vorbestimmten Abstand vom Basisbereich getrennt ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, mit einem Halbleitersubstrat ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche; einem Hauptbereich, der auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist und eine erste Größe entlang der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats aufweist, wobei der Hauptbereich einen vertikalen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode zum Durchlassen eines ersten Stroms und eine vertikale Freilaufdiode zum Durchlassen eines zweiten Stroms aufweist, und wobei die Freilaufdiode antiparallel zum Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode geschaltet ist; und einem Messbereich, der auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist und eine zweite Größe entlang der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats aufweist, wobei die zweite Größe geringer als die erste Größe ist, und wobei der Messbereich ein Messelement zum Durchlasen eines dritten Stroms proportional zum ersten Strom und zum Durchlassen eines vierten Stroms proportional zum zweiten Strom aufweist, wobei der Messbereich einen Basisbereich zweiten Leitfähigkeitstyps an einem Oberflächenabschnitt der Seite ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats aufweist, wobei der Basisbereich mehrere Basisabschnitte aufweist, die in einer ersten Richtung parallel zur planaren Richtung des Halbleitersubstrats angeordnet sind, ein erster Abschnitt der Basisabschnitte einen ersten Bereich ersten Leitfähigkeitstyps an seinem Oberflächenabschnitt aufweist, wobei der erste Bereich eine höhere Störstellenkonzentration als das Halbleitersubstrat aufweist, ein zweiter Abschnitt der mehreren Basisabschnitte an einem Ende des Basisbereichs in der ersten Richtung angeordnet ist, sowohl der erste Abschnitt der Basisabschnitte als auch der zweite Abschnitt der mehreren Basisabschnitte einen Basiskontaktbereich zweiten Leitfähigkeitstyps an seinem Oberflächenabschnitt aufweist, wobei der Basiskontaktbereich eine höhere Störstellenkonzentration als der Basisbereich aufweist, der erste Bereich elektrisch mit dem Basiskontaktbereich verbunden ist, ein zweiter Bereich zweiten Leitfähigkeitstyps an einem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist, der dritte Strom zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich fließt, ein dritter Bereich zweiten Leitfähigkeitstyps an dem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist und eine höhere Störstellenkonzentration als das Halbleitersubstrat aufweist, der vierte Strom zwischen dem Basiskontaktbereich und dem dritten Bereich fließt, der zweite Bereich und der dritte Bereich benachbart zueinander angeordnet sind, das Halbleitersubstrat einen Lebensdauerbegrenzer im Messbereich aufweist, eine Lebensdauer von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat als τ [μs] definiert ist; ein Diffusionskoeffizient der Ladungsträger als D [cm²/s] definiert ist; ein fester Wert größer oder gleich eins als K definiert ist; ein kürzester Abstand zwischen dem Basiskontaktbereich und dem dritten Bereich in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats als L1 [μm] definiert ist; und ein Abstand zwischen dem Basiskontaktbereich und dem dritten Bereich in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats als L2 [μm] definiert ist. In diesem Fall wird die folgende Gleichung erfüllt: K·D = 40,7 [cm²/s], wenn K·D·τ – L2² ≥ 0, L1 ≥ (K·D·τ – L2²)^1/2, und wenn K·D·τ – L2² < 0, L1 ≥ 0.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:
1 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer vergrößerten Ansicht eines Messbereichs der in der 1 gezeigten Halbleitervorrichtung;
3 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in der 2;
4 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Rückkopplungsschaltung, welche die in der 1 gezeigte Halbleitervorrichtung einsetzt;
5 eine Abbildung zur Veranschaulichung eines Ausgangspegels eines Rückkopplungsabschnitts der Rückkopplungsschaltung;
6 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer ersten Auswerteschaltung zur Auswertung einer Erholbeständigkeit einer FWD eines RC-IGBT gegenüber einem Durchbruch während einer Erholung der FWD;
7 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer zweiten Auswerteschaltung zur Auswertung eines FWD-Messausgangs eines Messelements;
8 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen der Erholbeständigkeit, dem FWD-Messausgang und einem Abstand zwischen dem Messbereich und einem Kathodenbereich eines Messelements;
9 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer vergrößerten Ansicht eines Messbereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht entlang der Linie X-X in der 9;
11 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer vergrößerten Ansicht eines Messbereichs gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform;
12 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer vergrößerten Ansicht eines Messbereichs gemäß einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform;
13 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer vergrößerten Ansicht eines Messbereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einer Lebensdauer von Ladungsträgern und dem Abstand;
15 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer vergrößerten Ansicht eines Messbereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer vergrößerten Ansicht eines Messbereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17A ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines IGBT-Messelements und 17B ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines IGBT;
18 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einem Messausgang und einem durch den IGBT fließenden elektrischen Strom;
19 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Modifikation der vorliegenden Erfindung; und
20 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation der vorliegenden Erfindung.
(Erste Ausführungsform)
Nachstehend wird eine Halbleitervorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
Die Halbleitervorrichtung 100 weist ein n-leitendes Halbleitersubstrats 10 auf. Das Halbleitersubstrat 10 weist eine erste Oberfläche 10a und eine der ersten Oberfläche 10a gegenüberliegende zweite Oberfläche 10b auf. Das Halbleitersubstrat 10 weist einen Hauptbereich 11 und einen Messbereich 13 auf. Ein RC-IGBT mit einem vertikalen IGBT 30 (siehe 4) und einer antiparallel zum IGBT 30 geschalteten vertikalen FWD 31 (siehe 4) ist im Wesentlichen im Hauptbereich 11 gebildet. Ein vertikales Messelement 32 ist im Wesentlichen im Messbereich 13 gebildet. Das Messelement 32 weist einen IGBT-Messabschnitt und einen FWD-Messabschnitt auf. Der IGBT-Messabschnitt ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom proportional zu einem durch den IGBT 30 fließenden elektrischen Strom durchzulassen. Der FWD-Messabschnitt ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom proportional zu einem durch die FWD 31 fließenden elektrischen Strom durchzulassen. Auf diese Weise werden der IGBT-Messabschnitt und der FWD-Messabschnitt kombiniert, um das Messelement 32 zu bilden. Die Größe des Messbereichs 13 ist entlang der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 geringer als die Größe des Hauptbereichs 11. Die Halbleitervorrichtung 100 kann beispielsweise als Leistungsschaltvorrichtung in einem Invertermodul für ein elektrisches Hybridfahrzeug (EHV) verwendet werden.
Das Halbleitersubstrat 10 weist, wie in 3 gezeigt, eine Dickenrichtung von der ersten Oberfläche 10a zur zweiten Oberfläche 10b auf. Das Halbleitersubstrat 10 weist eine planare Richtung senkrecht zur Dickenrichtung auf. Die planare Richtung weist, wie in 1 gezeigt, eine erste planare Richtung und eine zweite planare Richtung senkrecht zur ersten Richtung auf.
Der Hauptbereich 11 ist, wie in 1 gezeigt, auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Der Hauptbereich 11 wird in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 von einem ringförmigen Außenbereich 12 umgeben. Der Messbereich 13 ist im Außenbereich 12 angeordnet. Der Außenbereich 12 weist einen ringförmigen Durchbruchwiderstandsbereich 14 auf, welcher den Hauptbereich 11 und den Messbereich 13 umgibt. Der Durchbruchwiderstandsbereich 14 kann als Schutzring dienen, der eine Beständigkeit gegenüber einem Durchbruch gewährleistet.
Der im Hauptbereich 11 gebildete RC-IGBT kann den gleichen Aufbau wie ein herkömmlicher RC-IGBT aufweisen. Folglich wird ein Aufbau des Hauptbereichs 11 nachstehend nicht (näher) beschrieben.
Der Messbereich 13 ist auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Der Messbereich 13 weist den gleichen Aufbau wie der Hauptbereich 11 auf. Der Messbereich 13 weist jedoch, wie vorstehend beschrieben, entlang der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 eine geringere Größe als der Hauptbereich 11 auf. Die Größe des Messbereichs 13 kann beispielsweise ein Zehntausendstel der Größe des Hauptbereichs 11 betragen.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat ein n^–-leitendes monokristallines Grundsiliziumsubstrat (z. B. ein FZ-Wafer) mit einer Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁴ cm^–3. Ein p-leitender Bereich (d. h. p-Wannen-Bereich) 20 ist, wie in 3 gezeigt, an einem Oberflächenabschnitt des Messbereichs 13 auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet.
Im Basisbereich 20 sind mehrere Gate-Elektroden 21 gebildet. Jede Gate-Elektrode 21 weist einen Graben auf. Der Graben erstreckt sich von der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 derart in einer vorbestimmten Tiefe, dass der Graben den Basisbereich 20 durchdringt. Eine Isolierschicht ist, obgleich dies nicht in den Figuren gezeigt ist, an einer Wand des Grabens gebildet, wobei der Graben mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise polykristallines Silizium mit einer Störstellenkonzentration von ungefähr 1 × 10²⁰ cm^–3, gefüllt ist. Die Gate-Elektroden 21 sind wiederholt zu vorbestimmten regelmäßigen Intervallen in der ersten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Folglich sind die Gate-Elektroden 21 in der ersten planaren Richtung in einem Streifenmuster angeordnet. Der Basisbereich 20 wird durch die Gate-Elektroden 21 in mehrere Basisabschnitte 20a bis 20c unterteilt. Folglich sind die Basisabschnitte 20a bis 20c, gleich den Gate-Elektroden 21, in der ersten planaren Richtung in einem Streifenmuster angeordnet. Jede Gate-Elektrode 21 weist eine Längsrichtung in der zweiten planaren Richtung senkrecht zur ersten planaren Richtung auf.
Der die Gate-Elektroden 21 aufweisende Basisbereich 20 weist entlang der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 eine rechteckige Form auf. Ferner ist ein Bereich, in welchem der die Gate-Elektroden 21 aufweisende Basisbereich 20 gebildet ist, nahezu gleich einem Bereich, in welchem der Messbereich 13 gebildet ist. Folglich weist der Messbereich 13, gleich dem Basisbereich 20, eine rechteckige Form entlang der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 auf.
Der Messbereich 13 weist, wie vorstehend beschrieben, den gleichen Aufbau wie der Hauptbereich 11 auf. Folglich weist der Hauptbereich 11 eine rechteckige Form entlang der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 auf. Gleich dem Messbereich 13 weist der Hauptbereich 11 einen Basisbereich mit Basisabschnitten auf, die in der ersten planaren Richtung in einem Streifenmuster angeordnet sind. Der Hauptbereich 11 ist, wie in 1 gezeigt, in der zweiten planaren Richtung benachbart zum Messbereich 13 und in der ersten planaren Richtung parallel zum Messbereich 13 angeordnet.
Der Basisabschnitt 20a und der Basisabschnitt 20b sind in der ersten planaren Richtung abwechselnd angeordnet.
Der Basisabschnitt 20a weist sowohl einen n⁺-leitenden Emitter-Bereich 22 (als einen ersten Bereich in den Ansprüchen) als auch einen p⁺-leitenden Basiskontaktbereich 23 auf. Eine Störstellenkonzentration von sowohl dem Emitter-Bereich 22 als auch dem Basiskontaktbereich 23 liegt über einer Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats 10.
Der Emitter-Bereich 22 ist auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 und benachbart zur Gate-Elektrode 21 angeordnet. Der Emitter-Bereich 22 erstreckt sich in der zweiten planaren Richtung entlang der Gate-Elektrode 21. Der Basiskontaktbereich 23 ist auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 und zwischen den Emitter-Bereichen 22 angeordnet. Der Basiskontaktbereich 23 erstreckt sich in der zweiten planaren Richtung entlang der Gate-Elektrode 21. Der Emitter-Bereich 22 weist beispielsweise eine Dicke, von ungefähr 0,5 μm von der ersten Oberfläche 10a und eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1 × 10²⁰ cm^–3 auf, und der Basiskontaktbereich 23 weist beispielsweise eine Dicke von ungefähr 1,0 μm von der ersten Oberfläche 10a und eine Störstellenkonzentration von ungefähr 3 × 10¹⁹ cm^–3 auf. Der Basiskontaktbereich 23 des Basisabschnitts 20a dient dazu, einen Latch-Up zu verhindern, und dient ferner als Anode während eines FWD-Betriebs des Messelements 32.
Der Basisabschnitt 20b weist weder den Emitter-Bereich 22 noch den Basiskontaktbereich 23 auf. Der Basisabschnitt 20b ist elektrisch von der Gate-Elektrode 21 und einer zur Messung verwendeten Emitter-Kontaktstelle getrennt. Folglich weist der Basisabschnitt 20b ein elektrisch schwebendes Potential auf.
Jeder der Basisabschnitt 20a, 20b weist beispielsweise eine Dicke von ungefähr 4 μm von der ersten Oberfläche 10a und eine Störstellenkonzentration von ungefähr 2 × 10¹⁷ cm^–3 auf.
Der Basisabschnitt 20c ist, wie in 3 gezeigt, an jedem Ende des Basisbereichs 20 angeordnet. Der Basisabschnitt 20c weist den Basiskontaktbereich 23 auf, jedoch nicht den Emitter-Bereich 22. Der Basisabschnitt 20c weist eine größere Dicke als jeder der Basisabschnitte 20a, 20b auf, so dass der Krümmungsradius erhöht werden kann, um die Konzentration eines elektrischen Feldes zu verringern. Ferner weist der Basisabschnitt 20c eine Störstellenkonzentration auf, die über jeder der Störstellenkonzentrationen der Basisabschnitte 20a, 20b liegt. Der Basisabschnitt 20c weist beispielsweise eine Dicke von ungefähr 9 μm von der ersten Oberfläche 10a und eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1 × 10¹⁸ cm^–3 auf.
Es sollte beachtet werden, dass der Basisabschnitt 20c nicht nur in der ersten planaren Richtung, sondern ebenso in der zweiten planaren Richtung an jedem Ende des Basisbereichs 20 angeordnet ist. Insbesondere weist der Basisabschnitt 20c eine Ringform auf, um die Basisabschnitte 20a, 20b zu umgeben. Der Basiskontaktbereich 23 ist in der ersten planaren Richtung an jedem Ende des Basisabschnitts 20c angeordnet und erstreckt sich entlang der Gate-Elektrode 21.
Der Basiskontaktbereich 23 des Basisabschnitts 20c dient während eines FWD-Betriebs des Messelements 32 als die Anode. Ferner dient der Basiskontaktbereich 23 des Basisabschnitts 20c im ausgeschalteten bzw. gesperrten Zustand dazu, Löcher, die während eines IGBT-Betribs des Messelements 32 von einem p⁺-leitenden Kollektor-Bereich 24 (als ein zweiter Bereich in den Ansprüchen) des Messelements 32 in das Halbleitersubstrat 10 injiziert werden, zu ziehen. Folglich werden die Löcher im Halbleitersubstrat 10 derart verringert, dass die Stromkonzentration auf den Basisabschnitt 20a, und insbesondere auf den Basisabschnitt 20a nahe dem Basisabschnitt 20c, verringert werden kann. Folglich wird ein durch die Stromkonzentration verursachter Latch-Up derart verhindert, dass eine Beständigkeit des IGBT-Messabschnitts gegenüber einem Durchbruch verbessert werden kann.
Der Emitter-Bereich 22 und der Basiskontaktbereich 23 des Messbereichs 13 sind elektrisch mit der Emitter-Kontaktstelle verbunden. Folglich dient der Basisabschnitt 20a während eines IGBT-Betriebs des Messelements 32 als Kanal. Ferner arbeitet der Basisabschnitt 20a in Verbindung mit dem Basiskontaktbereich 23, um während eines FWD-Betriebs des Messelements 32 als die Anode zu dienen. Der Basisabschnitt 20c arbeitet in Verbindung mit dem Basiskontaktbereich 23, um während eines FWD-Betriebs des Messelements 32 als die Anode zu dienen.
Der Kollektor-Bereich 24 des Messelements 32 ist, wie in 3 gezeigt, an einem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Der elektrische Strom proportional zum durch den IGBT 30 des RC_IGBT fließenden elektrischen Strom fließt zwischen dem Emitter-Bereich 22 und dem Kollektor-Bereich 24. Es sollte beachtet werden, dass der Kollektor-Bereich 24 in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 direkt unterhalb des Messbereichs 13 (d. h. des Basisbereichs 20) angeordnet ist. D. h., der Kollektor-Bereich 24 ist dem Messbereich 13 in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 gegenüberliegend angeordnet.
Ein n⁺-leitender Kathodenbereich 25 (als ein dritter Bereich in den Ansprüchen) des Messelements 32 ist an dem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Der elektrische Strom proportional zum durch die FWD 31 des RC-IGBT fließenden elektrischen Strom fließt zwischen dem Basiskontaktbereich 23 und dem Kathodenbereich 25. Es sollte beachtet werden, dass der Kathodenbereich 25 in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 nicht direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet ist. Insbesondere ist der Kathodenbereich 25 entsprechend einer von vier Seiten des rechteckigen Messbereichs und einen vorbestimmten Abstand L1 in der zweiten planaren Richtung getrennt von der einen Seite des Messbereichs 13 angeordnet.
Eine n-leitende Feldstoppschicht 26 ist auf der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Insbesondere ist die Feldstoppschicht 26 sowohl auf dem Kollektor-Bereich 24 als auch auf dem Kathodenbereich 25 gebildet, um die gesamte Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 zu bedecken.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist der Kathodenbereich 25 den Abstand L1 in der zweiten planaren Richtung derart vom Messbereich 13 getrennt, dass der Kathodenbereich 25 in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 angeordnet werden kann. Der Abstand L1 ist ein kürzester Abstand zwischen dem Messbereich 13 und dem Kathodenbereich 25 in der zweiten planaren Richtung. Der Abstand L1 kann beispielsweise ungefähr 150 μm betragen, wenn er in der zweiten planaren Richtung von einer Kante des Kathodenbereichs 25 zu einer Kante des Basiskontaktbereichs 23 des Messbereichs 13 gemessen wird.
Der Kathodenbereich 25 des Messelements 32 ist, wie vorstehend beschrieben, direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 angeordnet. D. h., ein Teil eines Kathodenbereichs (nicht gezeigt) des RC-IGBT wird als der Kathodenbereich 25 des Messelements 32 verwendet. Genauer gesagt, sowohl ein Kollektor-Bereich (nicht gezeigt) als auch der Kathodenbereich des RC-IGBT mit dem Kathodenbereich 25 des Messelements 32 sind in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 angeordnet. Demgegenüber ist in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 nur der Kollektor-Bereich 24 des Messelements 32 direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet. Auf diese Weise wird der Kathodenbereich 25 von dem RC-IGBT und dem Messelement 32 gemeinsam genutzt.
Der Kollektor-Bereich 24 und der Kathodenbereich 25 des Messelements 32 und der Kollektor-Bereich und der Kathodenbereich des RC-IGBT sind elektrisch mit einer gemeinsamen Kollektor-Elektrode verbunden, die ebenso als eine gemeinsame Katho den-Elektrode dient. Der Kollektor-Bereich 24 weist beispielsweise eine Dicke von ungefähr 0,5 μm von der zweiten Oberfläche 10b und eine Störstellenkonzentration von ungefähr 3 × 10¹⁹ cm^–3 auf, und der Kathodenbereich 25 weist beispielsweise eine Dicke von ungefähr 0,5 μm von der zweiten Oberfläche 10b und eine Störstellenkonzentration von 1 × 10²⁰ cm^–3 auf. Die Feldstoppschicht 26 weist eine Störstellenkonzentratian zwischen der Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats 10 und der Störstellenkonzentration des Kathodenbereichs 25 auf.
Die den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisende Halbleitervorrichtung 100 kann mit Hilfe eines herkömmlichen Halbleiterfertigungsprozesses gefertigt werden. Folglich wird ein Verfahren zur Fertigung der Halbleitervorrichtung 100 nachstehend nicht (näher) beschrieben.
4 zeigt eine die Halbleitervorrichtung 100 einsetzende Rückkopplungsschaltung. Die in der 4 gezeigte Rückkopplungsschaltung entspricht einem Arm einer Inverterschaltung zur Ansteuerung einer elektrischen Last, wie beispielsweise eines Motors. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung habe japanische Patentanmeldungen (z. B. die JP 2007-229959 und die JP 2007-268328 ) für solch eine Rückkopplungsschaltung ohne die Halbleitervorrichtung 100 eingereicht. Folglich wird die Rückkopplungsschaltung nachstehend nicht (näher) beschrieben.
Die Rückkopplungsschaltung weist, wie in 4 gezeigt, die Halbleitervorrichtung 100, ein UND-Gatter 101, einen Messwiderstand 102 und einen Rückkopplungsabschnitt 103 auf.
Die Halbleitervorrichtung 100 weist, wie vorstehend beschrieben, den RC-IGBT auf, der im Wesentlichen im Hauptbereich 11 des Halbleitersubstrats 10 gebildet ist. Der RC-IGBT weist den IGBT 30 und die FWD 31 auf. Die Halbleitervorrichtung 100 weist ferner das Messelement 32 auf, das im Wesentlichen im Messbereich 13 des Halbleitersubstrats 10 gebildet ist. Das Messelement 32 weist den IGBT-Messabschnitt und den FWD-Messabschnitt auf.
Das UND-Gatter 101 ist eine logische Schaltung. Wenn alle Eingänge des UND-Gatters 101 einen logischen H-(High)-Pegel aufweisen, wechselt ein Ausgang des UND-Gatters 101 auf einen logischen H-Pegel. Ein Pulsbreitenmodulatioins-(PWM)-Gate-Signal zur Ansteuerung der Halbleitervorrichtung 100 (d. h. des IGBT 30 und des Messelements 32) wird an einen ersten Eingangsanschluss des UND-Gatters 101 gegeben. Ferner wird ein Ausgangssignal des Rückkopplungsabschnitts 103 an einen zweiten Eingangsanschluss des UND-Gatters 101 gegeben. Das PWM-Gate-Signal wird von einer externen Signalerzeugungsschaltung erzeugt und an das UND-Gatter 101 gegeben.
Das UND-Gatter 101 ist über einen Gate-Widerstand 104 elektrisch mit einer Gate-Kontaktstelle 33 der Halbleitervorrichtung 100 verbunden. Folglich können die Gate-Spannungen des IGBT 30 und des Messelements 32 durch das PWM-Gate-Signal gesteuert werden, das vom UND-Gatter 101 über den Gate-Widerstand 104 zugeführt wird. Wenn das PWM-Gate-Signal beispielsweise einen logischen H-Pegel aufweist, lässt das UND-Gatter 101 das PWM-Gate-Signal derart passieren, dass der IGBT 30 eingeschaltet bzw. leitend geschaltet werden kann, und wenn das PWM-Gate-Signal einen logischen L-(Low)-Pegel aufweist, blockiert das UND-Gatter 101 das PWM-Gate-Signal derart, dass der IGBT 30 ausgeschaltet bzw. sperrend geschaltet werden kann. In diesem Fall sollte beachtet werden, dass das UND-Gatter 101 das PWM-Gate-Signal stets blockiert, um die Halbleitervorrichtung 100 nicht anzusteuern, wenn das Ausgangssignal des Rückkopplungsabschnitts 103 einen niedrigen bzw. L-Pegel aufweist.
Eine Last und einer Energieversorgung sind, obgleich dies nicht in der Zeichnung gezeigt ist, derart mit einem Kollektor oder einem Emitter des IGBT 30 verbunden, dass ein Hauptstrom (Kollektorstrom) Ic zwischen dem Kollektor und einem Emitter des IGBT 30 fließen kann. Ein Kollektor des Messelements 32 und der Kollektor 22 des IGBT 30 sind als eine gemeinsame Kollektor-Elektrode gebildet. Der Emitter-Bereich 22 des Messelements 32 ist über eine Kontaktstelle 34 elektrisch mit einem ersten Ende des Messwiderstands 102 verbunden. Ein zweites Ende des Messwiderstands 102 ist über eine Kontaktstelle 35 mit einem Emitter-Bereich des IGBT 30 verbunden. Folglich fließt ein Messstrom Is proportional zum Hauptstrom Ic vom Emitter-Bereich 22 des Messelements 32 zum Messwiderstand 102 und wird eine durch den Messstrom Is über dem Messwiderstand 102 erzeugte Spannung Vs zum Rückkopplungsabschnitt 103 rückgekoppelt.
Der Rückkopplungsabschnitt 103 kann beispielsweise mit einem Operationsverstärker gebildet werden. Der Rückkopplungsabschnitt 103 weist einen ersten Schwellenwert Vth1 auf und bestimmt auf der Grundlage des ersten Schwellenwerts Vth1, ob ein elektrischer Strom durch die FWD 31 fließt. Ferner weist der Rückkopplungsabschnitt 103 einen zweiten Schwellenwert Vth2 auf und bestimmt auf der Grundlage des zweiten Schwellenwerts Vth2, ob ein Überstrom durch den IGBT 30 fließt. Gemäß der ersten Ausführungsform ist sowohl der erste als auch der zweite Schwellenwert Vth1, Vth2 ein Spannungswert. Der logische Pegel (d. h. hoch oder niedrig) des Ausgangssignals des Rückkopplungsabschnitts 103 hängt von den Bestimmungsergebnissen ab. Folglich hängt die Tatsache, ob das PWM-Gate-Signal das UND-Gatter 101 passiert, von den Bestimmungsergebnissen des Rückkopplungsabschnitts 103 ab.
Wenn der IGBT 30 normal angesteuert wird (d. h. wenn kein elektrischer Strom durch die FWD 31 fließt), fließt ein elektrischer Strom vom Messelement 32 zum Messwiderstand 102. Folglich nimmt die Spannung Vs über dem Messwiderstand 102 einen positiven Wert bezüglich eines Potentials des Emitter-Bereichs des IGBT 30 an. Demgegenüber fließt dann, wenn ein elektrischer Strom durch die FWD 31 fließt, ein elektrischer Strom vom Messwiderstand 102 zum Messelement 32. Folglich nimmt die Spannung Vs über dem Messwiderstand 102 einen negativen Wert bezüglich des Potentials des Emitter-Bereichs des IGBT 30 an. Dementsprechend kann ein durch die FWD 31 fließender elektrischer Strom erfasst werden, indem der erste Schwellenwert Vth1 auf einen negativen Wert gesetzt wird.
Wenn ein Überstrom durch den IGBT 30 fließt, wird ein vom Messelement 32 zum Messwiderstand 102 fließender Strom erhöht. Folglich wird die Spannung Vs über dem Messwiderstand 102 innerhalb eines positiven Wertebereichs erhöht. Dementsprechend kann ein durch den IGBT 30 fließender Überstrom erfasst werden, indem der zweite Schwellenwert Vth2 auf einen positiven Wert gesetzt wird.
Die Spannung Vs über dem Messwiderstand 102 wird an den Rückkopplungsabschnitt 103 gegeben. Wenn die Spannung Vs, wie in 5 gezeigt, geringer als der erste Schwellenwert Vth1 oder größer als der zweite Schwellenwert Vth2 ist, wechselt das Ausgangssignal des Rückkopplungsabschnitts 103 auf einen logischen L-Pegel, um zu verhindern, dass das PWM-Gate-Signal das UND-Gatter 101 passiert. Demgegenüber wechselt das Ausgangssignal dann, wenn die Spannung Vs größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Vth1 und kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Vth2 ist, auf einen logischen H-Pegel, um es dem PWM-Gate-Signal zu ermöglichen, das UND-Gatter 101 zu passieren.
Für gewöhnlich erzeugt die externe Signalerzeugungsschaltung ein Gate-Ansteuersignal logischen H-Pegels, um den IGBT 30 und das Messelement 32 anzusteuern, und wird das Gate-Ansteuersignal logischen H-Pegels an das UND-Gatter 101 gegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird die FWD 31 ausgeschaltet und fließt kein elektrischer Strom durch das Messelement 32. Folglich übersteigt ein Potential des ersten Endes (d. h. der Seite der Kontaktstelle 34) des Messwiderstands 102 ein Potential des zweiten Endes (d. h. der Seite der Kontaktstelle 35) des Messwiderstands 102 derart, dass die Spannung Vs über dem Messwiderstand 102 einen positiven Wert annimmt.
Da die Spannung Vs einen positiven Wert aufweist, liegt die Spannung Vs über dem ersten Schwellenwert Vth1, der einen negativen Wert aufweist. Folglich bestimmt der Rückkopplungsabschnitt 103, dass kein elektrischer Strom durch die FWD 31 fließt. Folglich wechselt das Ausgangsignal des Rückkopplungsabschnitts 103, wie in 5 gezeigt, auf einen logischen H-Pegel und wird das Ausgangssignal logischen H-Pegels an das UND-Gatter 101 gegeben. Da sowohl das PWM-Gate-Signal als auch das Ausgangssignal des Rückkopplungsabschnitts 103 einen logischen H-Pegel aufweisen, passiert das PWM-Gate-Signal das UND-Gatter 101. Anschließend wird das PWM-Gate-Signal, welches das UND-Gatter 101 passiert hat, über den Gate-Widerstand 104 an die Gates des IGBT 30 und das Messelement 32 gegeben, derart, dass der IGBT 30 und das Messelement 32 eingeschaltet werden können. Auf diese Weise werden der IGBT 30 und das Messelement 32 derart angesteuert, dass der Hauptstrom Ic durch die Last fließen kann, die mit dem Kollektor oder dem Emitter des IGBT 30 verbunden ist.
Wenn ein elektrischer Strom durch die FWD 31 fließt, wird das Potential des ersten Endes (d. h. der Seite der Kontaktstelle 34) des Messwiderstands 102 geringer als das Potential des zweiten Endes (d. h. der Seite der Kontaktstelle 35) des Messwiderstands 102, derart, dass die Spannung Vs über dem Messwiderstand 102 einen negativen Wert annimmt.
In diesem Fall bestimmt der Rückkopplungsabschnitt 103 dann, wenn die Spannung Vs kleiner oder gleich dem ersten Schwellenwert Vth1 wird, dass ein elektrischer Strom durch die FWD 31 fließt. Folglich wechselt das Ausgangssignal des Rückkopplungsabschnitts 103, wie in 5 gezeigt, auf einen logischen L-Pegel und wird das Ausgangssignal logischen L-Pegels an das UND-Gatter 101 gegeben.
Da das Ausgangssignal des Rückkopplungsabschnitts 103 einen logischen L-Pegel aufweist, kann das PWM-Gate-Signal das UND-Gatter 101 nicht passieren, unabhängig davon, ob das PWM-Gate-Signal einen logischen H-Pegel aufweist. Dies führt dazu, dass der IGBT 30 ausgeschaltet wird. Auf diese Weise wird der IGBT 30 während eines Durchlassbetriebs der FWD 31 nicht angesteuert.
Wenn ein Überstrom durch den IGBT 30 fließt, wird der Messstrom, der vom Messelement 32 zum Messwiderstand 102 fließt, proportional zum Überstrom erhöht. Folglich wird die Spannung Vs über dem Messwiderstand 102 größer als die Spannung Vs, die während eines normalen Betriebs des IGBT 30 über dem Messwiderstand 102 auftritt.
In diesem Fall bestimmt der Rückkopplungsabschnitt 103 dann, wenn die Spannung Vs größer oder gleich dem zweiten Schwellenwert Vth2 wird, dass ein Überstrom durch den IGBT 30 fließt. Folglich wechselt das Ausgangssignal des Rückkopplungsabschnitts 103, wie in 5 gezeigt, auf einen logischen L-Pegel und wird das Ausgangssignal logischen L-Pegels an das UND-Gatter 101 gegeben.
Da das Ausgangssignal des Rückkopplungsabschnitts 103 einen logischen L-Pegel aufweist, kann das PWM-Gate-Signal das UND-Gatter 101 nicht passieren, unabhängig davon, ob das PWM-Gate-Signal einen logischen H-Pegel aufweist. Dies führt dazu, dass der IGBT 30 ausgeschaltet wird. Auf diese Weise wird der durch den IGBT 30 fließende Überstrom gestoppt, derart, dass ein Durchbruch des IGBT 30 verhindert werden kann.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist der Kollektor-Bereich 24 des Messelements 32, wie vorstehend beschrieben, an dem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet und in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 direkt unterhalb des Messbereichs 13 (d. h. des Basisbereichs 20) angeordnet. Der Kathodenbereich 25 des Messelements 32 ist am Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet und den Abstand D1 in der zweiten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 vom Messbereich 13 getrennt. D. h., der Kathodenbereich 25 ist in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 nicht direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet.
Bei solch einem Ansatz kann ein Abstand zwischen dem Kathodenbereich 25 und dem Messbereich 13 verglichen mit einem Fall, in welchem der Kathodenbereich 25 direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet ist, erhöht werden. Der erhöhte Abstand zwischen dem Kathodenbereich 25 und dem Messbereich 13 bringt die folgenden Vorteile hervor.
Während eines FWD-Betriebs des Messelements 32 dient ein Abschnitt des Halbleitersubstrats 10 zwischen dem Kathodenbereich 25 und dem Basiskontaktbereich 23 des Basisbereichs 20 (z. B. der Basisabschnitt 20c) als Kathode. Die Länge des als Kathode dienenden Abschnitts wird mit zunehmendem Abstand zwischen dem Kathodenbereich 25 und dem Messbereich 13 erhöht. Folglich wird eine Durchlassspannung Vf, die an einen p-n-Übergang zwischen dem Kathodenbereich 25 und dem Basiskontaktbereich 23 des Basisbereichs 20 gelegt wird, verringert. Dies führt dazu, dass die vom Basiskontaktbereich 23 injizierte Anzahl von Ladungsträgern (z. B. Löchern) verringert wird. Folglich kann eine Beständigkeit der FWD 31 gegenüber einem Durchbruch während einer Erholung der FWD 31 verbessert werden, ohne dass eine Beständigkeit des IGBT-Messabschnitts des Messelements 32 gegenüber einem Durchbrich verringert wird. Die Erholbeständigkeit der FWD 31 gegenüber einem Durchbruch während einer Erholung der FWD 31 wird nachstehend als „die Erholbeständigkeit der FWD” bezeichnet.
Ferner ist der Kathodenbereich 25 gemäß der ersten Ausführungsform nicht direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet. D. h., nur der Kollektor-Bereich 24 ist direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet. Folglich kann ein IGBT-Messausgang des Messelements 32 verbessert (d. h. erhöht) werden. Der IGBT-Messausgang des Messelements 32 ist ein Ausgangssignal, das vom Messelement 32 erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom durch den IGBT 30 des RC-IGBT fließt.
Ferner ist der Kathodenbereich 25 gemäß der ersten Ausführungsform direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 angeordnet, derart, dass der Kathodenbereich 25 von dem RC-IGBT und dem Messelement 32 gemeinsam genutzt werden kann. Alternativ kann der Kathodenbereich 25 an einer Position angeordnet sein, die sich von einer Position direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 unterscheidet, solang der Kathodenbereich 25 nicht direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet ist. Der Kathodenbereich 25 kann beispielsweise im Außenbereich 12 angeordnet sein.
(Zweite Ausführungsform)
Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 6 bis 10 beschrieben. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich wie folgt von der ersten Ausführungsform.
Bei der ersten Ausführungsform ist der Kollektor-Bereich 24 des Messelements 32 in der Dickenrichtung des. Halbleitersubstrats 10 direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet. Der Kathodenbereich 25 des Messelements 32 ist in der Dickenrichtung nicht direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet. Insbesondere ist der Kathodenbereich 25 entsprechend einer Seite des rechteckigen Messbereichs angeordnet und in der zweiten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 den Abstand L1 von der einen Seite des Messbereichs 13 getrennt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Versuche unter Verwendung der in den 6 und 7 gezeigten Auswerteschaltungen durchgeführt, um die Erholbeständigkeit der FWD 31 und einen FWD-Messausgang des Messelements 32 der Halbleitervorrichtung 100 der ersten Ausführungsform auszuwerten. Der FWD-Messausgang des Messelements 32 ist ein Ausgangssignal, das vom Messelement 32 erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom durch die FWD 31 des RC-IGBT fließt.
Die in der 6 gezeigte Auswerteschaltung weist einen schaltenden IGBT 105 zur Ansteuerung der Halbleitervorrichtung 100, einen Gate-Widerstand 106, der mit einem Gate des IGBT 105 verbunden ist, eine Gleichstrom-(DC)-energiequelle 107, eine parasitäre Induktivität 108 und eine parallel zur Halbleitervorrichtung 100 geschaltete Lastinduktivität 109 auf.
Der Versuch zum Auswerten der Erholbeständigkeit der FWD 31 ist unter den folgenden Bedingungen unter Verwendung der in der 6 gezeigten Auswerteschaltung durchgeführt worden: Die DC-Energiequelle 107 ist eine DC-Energiequelle mit einer Spannung von 750 V. Die parasitäre Induktivität 108 weist eine Induktivität von 200 nH auf. Die Lastinduktivität 109 weist eine Induktivität von 100 nH auf. Das Gate und der Emitter des IGBT 30 der Halbleitervorrichtung 100 sind zusammengeschaltet (d. h. kurzgeschlossen). Ein Widerstand des Gate-Widerstands 106 ist derart abgestimmt, dass di/dt eines Erholstroms, der zum Zeitpunkt eines Schaltens von EIN zu AUS der FWD 31 fließt, 2 kA/μs betragen kann. di/dt des Erholstroms beschreibt einen Gradienten des Stroms innerhalb eines Bereichs von 0 A ± 10% bezüglich eines während eines Einschaltens der FWD 31 fließenden elektrischen Stroms.
Der Versuch zum Auswerten des FWD-Messausgangs des Messelements 32 ist unter den folgenden Bedingungen unter Verwendung der in der 7 gezeigten Auswerteschaltung durchgeführt worden: der Emitter des IGBT 30 der Halbleitervorrichtung 100 ist auf Masse gelegt. Die Gate-Spannung des IGBT 30 ist auf 0 V oder 15 V gesetzt. Eine Spannung über dem Messwiderstand 102 wird gemessen, indem ein elektrischer Strom in einem Bereich von 0 A bis 400 A geändert wird.
8 zeigt die Ergebnisse der von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuche. In der 8 beschreibt eine durchgezogene Linie die Erholbeständigkeit [A] der FWD 31 und eine gestrichelte Linie den FWD-Messausgang [V] des Messelements 32. Es sollte beachtet werden, dass der FWD-Messausgang in der 8 als Absolutwert gezeigt ist. Aus der 8 wird ersichtlich, dass die Erholbeständigkeit der FWD 31 mit einer Zunahme des kürzesten Abstands L1 zwischen dem Basiskontaktbereich 23 und dem Kathodenbereich 25 zunimmt. Die Erholbeständigkeit der FWD 31 ist bei dem Abstand L1 von größer oder gleich 150 μm ungefähr dreimal größer als bei dem Abstand L1 von 100 μm. Ferner wird aus der 8 ersichtlich, dass der Absolutwert des FWD-Messausgangs des Messelements 32 mit zunehmendem Abstand L1 abnimmt.
D. h., die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass zwischen dem FWD-Messausgang des Messelements 32 und der Erholbeständigkeit der FWD 31 ein Trade-Off-Verhältnis besteht.
Auf der Grundlage der Ergebnisse der Versuche ist der Kathodenbereich des Messelements 32 gemäß der zweiten Ausführungsform entsprechend mehreren Seiten des rechteckigen Messbereichs 13 angeordnet, derart, dass der Kathodenbereich den Abstand D1 von jeder entsprechenden Seite des Messbereichs 13 getrennt ist. D. h., der Kathodenbereich ist im gleichen Abstand D1 von jeder entsprechenden Seite des Messbereichs 13 entfernt angeordnet.
9 zeigt eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung 100 der zweiten Ausführungsform. 10 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X in der 9. Bei der in den 9 und 10 gezeigten Halbleitervorrichtung 100 sind n⁺-leitende Kathodenbereiche 25, 27 (als ein dritter Bereich in den Ansprüchen) des Messelements 32 entsprechend drei Seiten des Messbereichs 13 angeordnet.
Gleich der ersten Ausführungsform ist der Kathodenbereich 25 in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 und in der zweiten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 den Abstand L1 von einer Seite (z. B. einer langen Seite) des Messbereichs 13 entfernt angeordnet. Der Abstand L1 wird in der zweiten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 von der Kante des Kathodenbereichs 25 zur Kante des Basiskontaktbereichs 23 des Messbereichs 13 gemessen. Folglich wird der Kathodenbereich 25 von dem RC-IGBT und dem Messelement 32 gemeinsam genutzt. Alternativ kann der Kathodenbereich 25 an einer Position angeordnet werden, die sich von einer Position direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 unterscheidet, solang der Kathodenbereich 25 nicht direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet ist. Der Kathodenbereich 25 kann beispielsweise im Außenbereich 12 angeordnet sein.
Die Kathodenbereiche 27 sind im Außenbereich 12 angeordnet. D. h., die Kollektor-Bereiche 27 sind in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 weder direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 noch direkt unterhalb des Messbereichs 13 angeordnet. Ferner sind die Kollektor-Bereiche 27 in der ersten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 über den Messbereich gegenüberliegend angeordnet. Jeder der Kollektor Bereiche 27 ist in der zweiten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 den Abstand L1 getrennt von einer entsprechenden von zwei Seiten (z. B. zwei kurzen Seiten) des Messbereichs 13 angeordnet. Der Abstand L1 wird in der ersten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 von einer Kante des Kathodenbereichs 27 zu einer Kante des Basiskontaktbereichs 23 des Basisabschnitts 20c gemessen. Auf diese Weise ist jeder der Kathodenbereiche 25, 27 im gleichen Abstand D1 von der entsprechenden Seite des Messbereichs 13 angeordnet.
Gemäß der zweiten Ausführungsform sind die Kathodenbereiche, wie vorstehend beschrieben, entsprechend drei Seiten des Messbereichs 13 angeordnet. Bei solch einem Ansatz wird der als Kathode dienende Abschnitt derart vergrößert, dass der FWD-Messausgang verbessert werden kann.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bestätigt, dass der in den 9 und 10 gezeigte Aufbau den FWD-Messausgang verbessern kann. Insbesondere beschreibt ein ausgefüllter Kreis in der 8 den FWD-Messausgang des in den 9 und 10 gezeigten Aufbaus, wenn der Abstand D1 250 μm beträgt. Aus der 8 wird ersichtlich, dass der FWD-Messausgang des in den 9 und 10 gezeigten Aufbaus ungefähr dreimal größer als der FWD-Messausgang der ersten Ausführungsform ist.
Es sollte beachtet werden, dass die Kathodenbereiche 25, 27, entsprechend zwei oder vier Seiten (d. h. allen Seiten) des Messbereichs 13 angeordnet werden können.
Bei einem in der 11 gezeigten Beispiel ist der Kathodenbereich 25 direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 und entsprechend einer Seite des Messbereichs 13 angeordnet. Der Kathodenbereich 27 ist im Außenbereich 12 und entsprechend drei Seiten des Messbereichs 13 angeordnet. Insbesondere weist der Kathodenbereich 27 eine rechtwinklige C-Form auf, um die drei Seiten des Messbereichs 13 zu umgeben. Auf diese Weise sind die Kathodenbereiche 25, 27 entsprechend vier (d. h. allen) Seiten des Messbereichs 13 angeordnet und befindet sich jeder der Kathodenbereiche 25, 27 im gleichen Abstand D1 von der entsprechenden Seite des Messbereichs 13. Folglich wird der als Kathode dienende Abschnitt derart weiter vergrößert, dass der FWD-Messausgang weiter verbessert werden kann. Bei dem in der 11 gezeigten Beispiel ist der Kathodenbereich 27 einteilig mit einer rechtwinkligen C-Form ausgebildet. Alternativ können getrennte drei Kathodenbereiche 27 in einer rechtwinkligen C-Form angeordnet sein.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bestätigt, dass der in der 11 gezeigte Aufbau den FWD-Messausgang verbessern kann. Insbesondere beschreibt ein ausgefülltes Dreieck in der 8 den FWD-Messausgang des in der 11 gezeigten Aufbaus, wenn der Abstand D1 250 μm beträgt. Aus der 8 wird ersichtlich, das der FWD-Messausgang des in der 11 gezeigten Aufbaus ungefähr einem Vierfachen des FWD-Messausgangs der ersten Ausführungsform entspricht.
Bei einem weiteren in der 12 gezeigten Beispiel ist der Kathodenbereich 25 direkt unterhalb des Hauptbereichs 11 und entsprechend einer Seite des Messbereichs 13 angeordnet. Es sollte beachtet werden, dass der Kathodenbereich 25 in einem Abstand größer dem Abstand D1 von der entsprechenden Seite des Messbereichs 13 angeordnet ist. Der Kathodenbereich 27 ist im Außenbereich 12 und entsprechend vier (d. h. allen) Seiten des Messbereichs 13 angeordnet. Insbesondere weist der Kathodenbe reich 27 eine rechteckige Ringform auf, um die vier Seiten des Messbereichs 13 zu umgeben. Auf diese Weise sind die Kathodenbereiche 25, 27 entsprechend vier (d. h. allen) Seiten des Messbereichs 13 angeordnet. Bei dem in der 12 gezeigten Beispiel ist jede Seite des Kathodenbereichs 27 im gleichen Abstand D1 von der entsprechenden Seite des Messbereichs 13 angeordnet. Folglich wird der als Kathode dienende Abschnitt weiter vergrößert, derart, dass der FWD-Messausgang weiter verbessert werden kann. Bei dem in der 12 gezeigten Beispiel ist der Kathodenbereich 27 einteilig mit einer rechteckigen Ringform ausgebildet. Alternativ können vier getrennte Kathodenbereiche 27 in einer rechteckigen Ringform ausgebildet sein.
(Dritte Ausführungsform)
Nachstehend wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 13 und 14 beschrieben. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich wie folgt von den vorangehenden Ausführungsformen.
13 zeigt eine Querschnittsansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus der Halbleitervorrichtung 100 der dritten Ausführungsform. Wie aus einem Vergleich der 11 und 13 ersichtlich wird, entspricht der Aufbau der dritten Ausführungsform nahezu dem Aufbau der zweiten Ausführungsform. Ein Unterschied zwischen der zweiten und der dritten Ausführungsform besteht darin, dass ein Lebensdauerbegrenzer 28 im Halbleitersubstrat 10 gebildet ist.
Der Lebensdauerbegrenzer 28 ist ein Gitterfehler, der vorsätzlich im Halbleitersubstrat 10 gebildet ist, um ein Verschwinden von Ladungsträgern durch eine Rekombination von Ladungsträgern zu beschleunigen. Der Lebensdauerbegrenzer 28 kann beispielsweise mittels Elektronenbestrahlung, Heliumbestrahlung, Protonenbestrahlung oder Golddiffusion im Halbleitersubstrat 10 gebildet werden. Der Lebensdauerbegrenzer 28 ist wenigstens im Messbereich 13 gebildet. Bei solch einem Ansatz wird der Erholstrom, der zum Zeitpunkt eines Schaltens von EIN nach AUS der FWD 31 fließt, derart verringert, dass ein Schaltverlust (d. h. AC-Verlust) verringert werden kann. Gemäß der dritten Ausführungsform ist der Lebensdauerbegrenzer 28 im nahezu gesamten Halbleitersubstrat 10 gebildet, d. h. nicht nur im Messbereich 13, sondern ebenso im Hauptbereich 11. In der 13 ist eine Lebensdauerbegrenzerschicht als Lebensdauerbegrenzer 28 in einer vorbestimmten Tiefe von der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 angeordnet. Die Position des Lebensdauerbegrenzers 28 ist nicht auf die in der 13 gezeigte Position beschränkt.
Der Lebensdauerbegrenzer 28 ist gemäß der dritten Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, im Halbleitersubstrat 10 gebildet, um ein Verschwinden von Ladungsträgern durch eine Rekombination von Ladungsträgern zu beschleunigen. Folglich kann eine Lebensdauer der Ladungsträger im Halbleitersubstrat 10 verringert werden. Dies führt dazu, dass Ladungsträger (z. B. Löcher), die vom Basiskontaktbereich 23 des Basisbereichs 20 (insbesondere des Basisabschnitts 20c) in das Halbleitersubstrat 10 injiziert werden, in kurzer Zeit während eines FWD-Betriebs der FWD 31 und des Messelements 32 verschwinden können. Folglich kann die Erholbeständigkeit der FWD 31 verbessert werden.
Auf diese Weise kann das Hinzufügen des Lebensdauerbegrenzers 28 zum Halbleitersubstrat 10 die Erholbeständigkeit der FWD 31 verbessern. Folglich kann die Erholbeständigkeit der FWD 31 selbst dann, wenn der Abstand L1 zwischen dem Messbereich 13 (d. h. dem Basiskontaktbereich 23) und den Kathodenbereichen 25, 27 verringert wird, gewährleistet werden.
Auf der Grundlage der obigen Diskussion können die Kathodenbereiche 25, 27 gemäß der dritten Ausführungsform derart gebildet werden, dass sie die folgende Gleichung erfüllen: K·D = 40.7 [cm2/s], wenn K·D·τ – L22 ≥ 0, L1 ≥ (K·D·τ – L22)1/2 (1)
In der Gleichung (1) beschreibt τ eine Lebensdauer [μm] von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat 10, D einen Diffusionskoeffizienten [cm²/s] von Ladungsträgern, K einen festen Wert von größer oder gleich eins, L1 einen kürzesten Abstand [μm] zwischen dem Basiskontaktbereich 23 und den Kollektor-Bereichen 25, 27 in der planaren Richtung, und L2 einen kürzesten Abstand [μm] zwischen dem Basiskontaktbereich 23 und den Kathodenbereichen 25, 27 in der Dickenrichtung.
Es sollte beachtet werden, dass die Kathodenbereiche 25, 27 dann, wenn K·D·τ – L2² < 0 gilt, auf die gleiche Weise wie bei den vorangehenden Ausführugnsformen gebildet sind. D. h., die Kathodenbereiche 25, 27 sind nicht direkt unterhalb des Messbereichs 13 gebildet.
Die Gleichung (1) wird nachstehend näher beschrieben. Ein gradliniger Abstand L0 zwischen dem Kathodenbereich 27 und dem Basiskontaktbereich 23 (im Falle der 13 der Basiskontaktbereich 23 des Basisabschnitts 20c), der sich am dichtesten zum Kathodenbereich 27 befindet, kann, wie in 13 gezeigt, unter Verwendung der Abstände L1, L2 wie folgt beschrieben werden: L0 = (L12 + L22)1/2 (2)
Eine Diffusionslänge von Ladungsträgern (z. B. Löchern) Ld kann unter Verwendung der Lebensdauer τ, des festen Werts K und des Diffusionskoeffizienten D wie folgt beschrieben werden: Ld = (K·D·τ)1/2 (3)
Wenn die folgende Gleichung (4) erfüllt wird, können Ladungsträger, die vom Basiskontaktbereich 23 über den Basisbereich 20 in das Halbleitersubstrat 10 injiziert werden, verschwinden, bevor sie die Kathodenbereiche 25, 27 erreichen. D. h, wenn die folgende Gleichung (4) erfüllt wird, kann die Erholbeständigkeit der FWD 31 verbessert werden. L0 ≥ Ld (4)
Die Gleichung (1) kann erzielt werden, indem die Gleichungen (2), (3) in die Gleichung (4) eingesetzt werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einen Versuch unter Verwendung der in der 6 gezeigten Auswerteschaltung durchgeführt, um die Erholbeständigkeit der in der 13 gezeigten Halbleitervorrichtung 100 auszuwerten. Der Versuch wurde durchgeführt, indem der Abstand L1 auf 150 μm und der Abstand L2 auf 135 μm gesetzt wurden. Das Ergebnis des Versuchs hat aufgezeigt, dass die FWD 31 dann, wenn die Lebensdauer τ 10 μs beträgt, eine Erholbeständigkeit aufweisen kann, die ausreicht, um der maximalen Betriebsgrenze der Halbleitervorrichtung 100 standzuhalten.
Der Ausdruck „K·D = 40,7 [cm²/s]” in der Gleichung (1) wird erzielt, indem der Abstand L1 von 150 μm, der Abstand L2 von 135 μm und die Lebensdauer τ von 10 μs in die folgende Gleichung eingesetzt werden: wenn K·D·τ – L22 ≥ 0, L1 = (K·D·τ – L22)1/2 (5)
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass die Lebensdauer τ und der Abstand D1 ein in der 14 gezeigtes Verhältnis aufweisen. Eine durchgezogene Linie in der 14 beschreibt die Gleichung (5). Ein diagonal gestrichelter Bereich in der 14 beschreibt einen Bereich, der durch die Gleichung (1) definiert wird. D. h., ein Wert auf der durchgezogenen Linie in der 14 beschreibt einen minimalen Wert des Abstands L1, der es der FWD 31 ermöglicht, die ausreichende Erholbeständigkeit bei einer entsprechenden Lebensdauer τ aufzuweisen.
Gemäß der dritten Ausführungsform sind die Kathodenbereiche 25, 27 derart gebildet, dass die Gleichung (1) erfüllt werden kann. Genauer gesagt, die Kathodenbereiche 25, 27 sind derart gebildet, dass der Abstand L1 innerhalb des diagonal gestrichelten Bereichs in der 14 liegen kann. Bei solch einem Ansatz kann bewirkt werden, dass die Ladungsträger, die vom Basiskontaktbereich 23 in das Halbleitersubstrat 10 injizierte werden, verschwinden, bevor sie die Kathodenbereiche 25, 27 erreichen. Auf diese Weise kann die Erholbeständigkeit der FWD 31 weiter verbessert werden.
Der Lebensdauerbegrenzer 28 beschleunigt, wie vorstehend beschrieben, das Verschwinden von Ladungsträgern derart, dass die Erholbeständigkeit der FWD 31 verbessert werden kann. Im Gegensatz zur Erholbeständigkeit wird der FWD-Messausgang des Messelements 32 jedoch verringert.
Es können die folgenden Verfahren angewandt werden, um den FWD-Messausgang zu verbessern:

(a) Erhöhen der Länge der Kathodenbereiche 25, 27 um den Messbereich herum; und
(b) Erhöhen der Größe des Basisabschnitts 20c, um die Menge an Ladungsträgern zu erhöhen, die in das Halbleitersubstrat injiziert werden.

Die obigen Verfahren (a) und (b) führen jedoch zu einer Erhöhung der Größe des Messbereichs 13.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird der FWD-Messausgang verbessert, indem der Abstand D1 so weit wie möglich innerhalb eines Bereichs verringert wird, welcher die Gleichung (1) erfüllen kann. Bei solch einem Ansatz kann der FWD-Messausgang verbessert werden, ohne die Größe des Messbereichs 13 zu erhöhen.
Die Kathodenbereiche 25, 27 werden vorzugsweise derart gebildet, dass die Gleichung (5) erfüllt wird. Bei solch einem Ansatz kann der FWD-Messausgang weiter verbessert und gleichzeitig eine ausreichende Erholbeständigkeit der FWD 31 gewährleistet werden. Ferner kann die Größe des Messbereichs 13 verringert werden, da der Abstand D1 den minimalen Wert aufweist. Die in der 13 gezeigte dritte Ausführungsform basiert auf dem in der 10 gezeigten Aufbau. Alternativ kann die in der 13 gezeigte dritte Ausführungsform auf dem in der 2, der 11 oder der 12 gezeigten Aufbau basieren.
(Vierte Ausführungsform)
Nachstehend wird eine vierte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 15 beschrieben. Ein Unterschied der vierten Ausführungsform gegenüber den vorangehenden Ausführungsformen liegt darin, dass die Kathodenbereiche 25, 27 in der Di ckenrichtung des Halbleitersubstrats 10 direkt unterhalb des Messbereichs 13 (d. h. des Basisbereichs 20) angeordnet werden können.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die dritte Ausführungsform näher untersucht und herausgefunden, dass der Abstand L1 weiter verringert werden kann, indem die Lebensdauer τ verringert wird. Der Abstand L1 kann beispielsweise, wie in 14 gezeigt, einen Wert von Null aufweisen, indem die Lebensdauer τ auf einen Wert kleiner oder gleich 4 μs verringert wird.
Auf der Grundlage des Ergebnisses dieser Untersuchung werden die Kathodenbereiche 25, 27 gemäß der vierten Ausführungsform derart gebildet, dass die folgende Gleichung (6) erfüllt wird: K·D = 40.7 [cm2/s], wenn K·D·τ – L22 ≥ 0, L1 ≥ (K·D·τ – L22)1/2 wenn K·D·τ – L22 < 0, L1 ≥ 0, (6)
Wenn die Kathodenbereiche 25, 27 derart gebildet werden, dass die obige Gleichung (6) erfüllt wird, kann bewirkt werden, dass die Ladungsträger, die vom Basiskontaktbereich 23 in das Halbleitersubstrat 10 injiziert werden, verschwinden, bevor sie die Kathodenbereiche 25, 27 erreichen, wie vorstehend in Verbindung mit der dritten Ausführungsform beschrieben. Auf diese Weise kann die Erholbeständigkeit der FWD 31 weiter verbessert werden.
Ferner kann der FWD-Messausgang des Messelements 32 verbessert werden, indem der Abstand D1 so weit wie möglich innerhalb eines Bereichs verringert wird, welcher die Gleichung (6) erfüllen kann. Folglich kann der FWD-Messausgang verbessert werden, ohne die Größe des Messbereichs 13 zu erhöhen.
Vorzugsweise werden die Kathodenbereiche 25, 27 derart gebildet, dass die folgende Gleich (7) erfüllt wird: K·D = 40.7 [cm2/s], wenn K·D·τ – L22 ≥ 0, L1 = (K·D·τ – L22)1/2 wenn K·D·τ – L22 < 0, L1 = 0, (7)
Gemäß der Gleichung (7) kann der Abstand L1 dann, wenn K·D·τ – L2² ≥ 0 ist, so weit wie möglich verringert werden. Folglich kann der FWD-Messausgang verbessert werden, ohne die Größe des Messbereichs 13 zu vergrößern.
Ferner kann der Abstand L1 gemäß der Gleichung (7) einen Wert von Null aufweisen, wenn K·D·τ – L2² < 0 ist. Folglich kann der FWD-Messausgang weiter verbessert werden, während die Größe des Messbereichs 13 verringert wird.
Es sollte beachtet werden, dass der Abstand L1 selbst dann, wenn K·D·τ – L2² ≥ 0 ist, Null betragen kann. Folglich können die Kathodenbereiche 25, 27 in der Dickenrichtung der Halbleitervorrichtung 100 direkt unterhalb des Basisabschnitts 20c des Basisbereichs 20 angeordnet werden.
Gemäß der vierten Ausführungsform ist der Kathodenbereich 27, wie in 15 gezeigt, direkt unterhalb des Basisabschnitts 20c angeordnet, der an jedem Ende des Basisbereichs 20 angeordnet ist, in der ersten planaren Richtung der Halbleitervorrichtung 100. Bei solch einem Ansatz kann der Abstand L1 zwischen dem Kathodenbereich 27 und dem Basiskontaktbereich 23 des Basisabschnitts 20c verringert werden. Folglich kann der FWD-Messausgang verbessert werden, während die Größe des Messbereichs 13 verringert wird.
Genauer gesagt, der Kathodenbereich 27 ist, wie in 15 gezeigt, direkt unterhalb des Basiskontaktbereichs 23 des Basisabschnitts 20c angeordnet, derart, dass der Abstand L1 minimiert werden kann. Bei solch einem Ansatz kann der FWD-Messausgang weiter verbessert werden, während die Größe des Messbereichs 13 weiter verringert wird.
Es sollte beachtet werden, dass der FWD-Messausgang des Messelements 32 selbst dann, wenn der Abstand D1 auf einen Wert unter Null verringert wird, d. h. selbst dann, wenn die Kathodenbereiche 25, 27 in der ersten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 innerhalb des Basiskontaktbereichs 23 angeordnet sind, nahezu dem FWD-Messausgang entspricht, der erhalten wird, wenn der Abstand L1 einen Wert von Null aufweist. Ferner wird der IBGT-Messausgang des Messelements 32 dann, wenn die Kathodenbereiche 25, 27 innerhalb der äußersten Gate-Elektrode 21 in der ersten planaren Richtung angeordnet sind, durch eine Verringerung des Kollektor-Bereichs 24 verringert. Folglich sind die Kathodenbereiche 25, 27 vorzugsweise außerhalb der äußersten Gate-Elektrode 21 angeordnet.
In der 15 ist der Kathodenbereich 27 direkt unterhalb des Basisabschnitts 20c angeordnet, der an jedem Ende des Basisbereichs 20 in der ersten planaren Richtung der Halbleitervorrichtung 10 angeordnet ist. Alternativ kann der Kathodenbereich 27 direkt unterhalb des Basisabschnitts 20c angeordnet werden, der an jedem Ende des Basisbereichs 20 in der zweiten planaren Richtung der Halbleitervorrichtung 10 angeordnet ist.
In der 15 ist der Kathodenbereich 27 direkt unterhalb des Basiskontaktbereichs 23 des Basisabschnitts 20c angeordnet. Alternativ kann der Kathodenbereich 27 an einer Position angeordnet werden, die sich von einer Position direkt unterhalb des Basiskontaktbereichs 23 unterscheidet, solange der Kathodenbereich 27 direkt unterhalb des Basisabschnitts 20c angeordnet ist.
Ferner können die Kathodenbereiche 25, 27, solange die Gleichungen (6) bis (8) erfüllt werden, in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 außerhalb des Messbereichs 13 angeordnet sein.
(Fünfte Ausführungsform)
Nachstehend wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 16 bis 18 beschrieben. Ein Unterschied der fünften Ausführungsform zu den vorherigen Ausführungsformen wird nachstehend beschrieben.
16 zeigt eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung 100 der fünften Ausführungsform. Der Aufbau der fünften Ausführungsform entspricht, wie aus einem Vergleich der 13 und 16 ersichtlich wird, nahezu dem Aufbau der dritten Ausführungsform. Ein Unterschied zwischen der dritten und der fünften Ausführungsform liegt darin, dass das Messelement 32 derart gebildet ist, dass die folgende Gleichung (9) erfüllt wird: (ρ1/ρ2) × (L3·L4/W22) < 1.6 (9)
In der Gleichung (9) beschreibt ρ1 einen spezifischen Widerstand [Ωm] des Halbleitersubstrats 10, ρ2 einen spezifischen Widerstand [Ωm] der Feldstoppschicht 26, L3 eine Dicke [μm] des Halbleitersubstrats 10 von der ersten Oberfläche 10a zu einer oberen Oberfläche der Feldstoppschicht 26, L4 eine Dicke [μm] der Feldstoppschicht 26, und W2 die Hälfte einer minimalen Breite [μm] des Kollektor-Bereichs 24 in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10. Die Gleichung (9) wird nachstehend näher beschrieben.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist das Messelement 32, wie vorstehend beschrieben, den IGBT-Messabschnitt und den FWD-Messabschnitt auf. Insbesondere weist das Messelement 32, wie veranschaulichend in 16 gezeigt, ein IGBT-Messelement 32i und ein FWD-Messelement 32d auf. Bei solch einem Aufbau ist es dann, wenn die minimale Breite des Kollektor-Bereichs 24 gering ist (d. h. wenn die Breite W2 gering ist), wahrscheinlich, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie des IGBT-Messelements 32i einen Snapback zeigt. Der Grund hierfür wird in der US 2008-0315248 A1 näher beschrieben, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung eingereicht worden ist.
Die Breite W2 ändert sich, wie in 16 gezeigt, in Abhängigkeit des Abstands L1 zwischen dem Basiskontaktbereich 23 und den Kathodenbereichen 25, 27. Insbesondere wird die Breite W2 dann, wenn der Abstand L1 verringert wird, indem beispielsweise der Lebensdauerbegrenzer 28 hinzugefügt wird, mit einer Verringerung des Abstands L1 verringert.
Ein Widerstand R2 der Feldstoppschicht 256 vom Kathodenbereich 27 zu einem Kanal (d. h. Basisbereich 20), der am weitesten vom Kathodenbereich 27 entfernt angeordnet ist, wird mit einer Verringerung in der Breite W2 verringert. Weist der Widerstand R2 einen geringeren Wert auf, so wird ein p-n-Übergang eines Bipolartransistorabschnitts 32b des IGBT-Messelements 32i mit geringerer Wahrscheinlichkeit in Durchlassrichtung vorgespannt. Dies führt dazu, dass eine Snapback-Spannung Vsb erhöht wird.
Snapback bedeutet, dass dann, wenn eine Kollektor-Emitter-Spannung Vces [V] des Messelements 32 (d. h. des IGBT-Messelements 32i) von 0 V erhöht wird, die Kollektor-Emitter-Spannung Vces von einer Unipolarmodus-Arbeitspunktspannung V1 zu einer Bipolarmodus-Arbeitspunktspannung V2 springt. Ein Unterschied zwischen der Spannung V1 und der Spannung V2 ist, wie in 17A gezeigt, die Snapback-Spannung Vsb.
In der Annahme, dass der Snapback nicht auftritt, steigt der Strom Is, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung Vces, wie in 17A gezeigt, eine Spannung Vth erreicht. Anschließend arbeitet das IGBT-Messelement 32i in einem bipolaren Modus. Im bipolaren Modus arbeiten sowohl ein MOS-Transistorabschnitt 32m als auch der Bipolartransistorabschnitt 32b des IGBT-Messelements 32i derart, dass das IGBT-Messelement 32i eingeschaltet werden kann.
Demgegenüber steigt der Strom Is in der Annahme, dass der Snapback auftritt, selbst dann nicht, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung Vces die Spannung Vth erreicht. Folglich arbeitet das IGBT-Messelement 32i immer noch in einem unipolaren Modus. In dem unipolaren Modus arbeitet nur der MOS-Transistorabschnitt 32m des IGBT-Messabschnitts 32i. Genauer gesagt, im unipolaren Modus arbeitet der Bipolartransistorabschnitt 32b des IGBT-Messelements 32i nicht. Folglich sind keine Löcher vorhanden, die vom Kollektor-Bereich 24 in das Halbleitersubstrat 10 injiziert werden. Dies führt dazu, dass eine Leitfähigkeitsmodulation des Halbleitersubstrats 10 nicht auftritt.
Ein Widerstand R1 des Halbleitersubstrats 10 und der Widerstand R2 der Feldstoppschicht 26 hängen von ihrer jeweiligen Störstellenkonzentration ab. Folglich wird die Strom-Spannungs-Kennlinie des IGBT-Messelements 32i im unipolaren Modus, wie in 17A gezeigt, als lineare Kennlinie durch den Ursprung beschrieben. Der Gradient der linearen Kennlinie beträgt 1/(R1 + R2).
Im Ersatzschaltbild der 16 ist ein durch den Widerstand R2 bewirkter Spannungsabfall gleich einer Basis-Emitter-Spannung Vbe des Bipolartransistorabschnitts 32b. Wenn der durch den Widerstand R2 bewirkte Spannungsabfall eine Basis-Emitter-Schwellenwertspannung Vbeth (ungefähr 0,6 V bei Raumtemperatur) des Bipolartransistorabschnitts 32b überschreitet, beginnt der Bipolartransistorabschnitt 32b, zu arbeiten. Die Kollektor-Emitter-Spannung Vces, die dann auftritt, wenn der Bipolartransistorabschnitt 32b zu arbeiten beginnt, ist die Unipolarmodus-Arbeitspunktspannung V1. Wenn der Bipolartransistorabschnitt 32b zu arbeiten beginnt, werden Löcher vom Kollektor-Bereich 24 (als ein Emitter-Bereich des Bipolartransistorabschnitts 32b) über die Feldstoppschicht 26 in das Halbleitersubstrat 10 injiziert. Dies führt dazu, dass die Leitfähigkeitsmodulation des Halbleitersubstrats 10 stattfindet und der Widerstand R1 des Halbleitersubstrats 10 deutlich verringert wird. Auf diese Weise wird die Kollektor-Emitter-Spannung Vces von der Unipolarmodus-Arbeitspunktspannung V1 auf die Bipolarmodus-Arbeitspunktsspannung V2 verringert. D. h., der Snapback tritt auf.
Es sollte beachtet werden, dass die Schwellenwertspannung Vth des IGBT-Messelements 32i gleich der Schwellenwertspannung Vbeth des Bipolartransistorabschnitts 32b ist. Die Schwellenwertspannung Vth, d. h. die Schwellenwertspannung Vbeth, liegt in einer normalen Benutzungsumgebung, in der eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr minus 40°C bis ungefähr plus 150°C liegt, in einem Bereich zwischen ungefähr 0,4 V und ungefähr 0,8 V. Die Schwellenwertspannung Vbeth nimmt zu, wenn sich die Temperatur verringert. Die Schwellenwertspannung Vbeth beträgt beispielsweise ungefähr 0,8 V bei einer Temperatur von minus 40°C.
Hierbei wird angenommen, dass der Hauptbereich 11 gemäß der in der US 2008-0315248 A1 gezeigten Weise aufgebaut ist, so dass, wie in 17B gezeigt, verhindert werden kann, dass eine Strom-Spannungs-(Ic-Vice)-Kennlinie des IGBT 30 des RC- IGBT einen Snapback zeigt. In diesem Fall steigt der Ausgang des IGBT-Messelements 32i, d. h. die Spannung Vs über dem Messwiderstand 102 (siehe 4), wie in 18 gezeigt, nicht, bis der Kollektorstrom Ic einen Wert I0 überschreitet. Der Wert I0 ist ein Wert des Kollektorstroms Ic, bei welchem die Kollektor-Emitter-Spannung Vce die Unipolarmodus-Arbeitspunktspannung V1 erreicht.
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass der Snapback dann, wenn der Hauptbereich 11 gemäß der in der US 2008-0315248 A1 gezeigten Weise aufgebaut ist, im IGBT 30 des RC-IGBT nicht auftritt. Der Snapback kann jedoch, wie vorstehend beschrieben, im Messelement 32 (d. h. im IGBT-Messelement 32i) auftreten. In diesem Fall steigt der Ausgang des IGBT-Messelements 32i nicht, bis der Kollektorstrom Ic den Wert I0 überschreitet. Folglich kann die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform diskutierte Regelung ausgeführt werden. Dies führt dazu, dass der Ausgang des IGBT-Messelements 32i deutlich verringert wird.
Wenn die Breite W2 des Kollektor-Bereichs 24 gering ist, ist es, wie vorstehend beschrieben, wahrscheinlich, dass der Snapback im IGBT-Messelement 32i auftritt. Folglich sind die Kathodenbereiche 25, 27 gemäß der fünften Ausführungsform derart gebildet, dass die Gleichung (9) erfüllt wird, so dass die Breite W2 berücksichtigt werden kann. Wenn die Gleichung (9) erfüllt wird, kann die Snapback-Spannung Vsb im IGBT-Messelement 32i auf unter 0,8 V verringert werden, was der Schwellenwertspannung Vth bei einer Temperatur von minus 40°C entspricht. Ein Grund hierfür wird in der US 2008-0315248 A1 näher beschrieben.
Gemäß der fünften Ausführungsform werden die Kathodenbereiche 25, 27, wie vorstehend beschrieben, unter Berücksichtigung der Breite W2 zusätzlich zum Abstand D1 gebildet. Bei solch einem Ansatz wird der Snapback im IGBT-Messelement 32i derart verringert, dass der Ausgang des FWD-Messelements 32d verbessert werden kann.
Es sollte beachtet werden, dass ein Wert rechts in der Gleichung (9) abnimmt, wenn sowohl die Breite W2 als auch der Abstand L1 zunehmen. Dies führt dazu, dass der Widerstand R2 zunimmt. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass der Wert rechts in der Gleichung (9) 0,4 beträgt, wird die Snapback-Spannung Vsb auf unter 0,1 V verringert. Folglich kann die Snapback-Spannung Vsb verglichen mit 0,8 V, was der Schwellenwertspannung Vth bei einer Temperatur von minus 40°C entspricht, vernachlässigt werden. Ein Grund hierfür wird in der US 2008-0315248 A1 näher beschrieben.
Bei dem in der 16 gezeigten Aufbau ist der Lebensdauerbegrenzer 28 im Halbleitersubstrat 10 gebildet. Alternativ kann der Lebensdauerbegrenzer 28 je nach Bedarf entfernt werden.
(Modifikationen)
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können auf verschiedene Weise modifiziert werden.
Bei den Ausführungsformen entspricht der n-Leitfähigkeitstyp einem ersten Leitfähigkeitstyp in den Ansprüchen und der p-Leitfähigkeitstyp einem zweiten Leitfähigkeitstyp in den Ansprüchen. Alternativ kann der n-Leitfähigkeitstyp einem zweiten Leitfähigkeitstyp in den Ansprüchen und der p-Leitfähigkeitstyp einem ersten Leitfähigkeitstyp in den Ansprüchen entsprechen.
Bei den Ausführungsformen weist der Messbereich 13 in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 eine rechteckige Form auf. Alternativ kann der Messbereich 13 eine von einem Rechteck verschiedene Form aufweisen. Selbst wenn der Messbereich 13 eine von einem Rechteck verschiedene Form aufweist, kann der FWD-Messelement verbessert werden, indem die Kathodenbereiche derart angeordnet werden, dass jeder Kathodenbereich im gleichen Abstand L1 von einer entsprechenden Seite des Messbereichs 13 entfernt ist. In diesem Fall sind vorzugsweise alle Seiten des Messbereichs 13 von den Kathodenbereichen umgeben, um den FWD-Messausgang so weit wie möglich zu verbessern.
Im Außenbereich 12 um den Messbereich 13 herum kann ein p-Wannen-Bereich gebildet sein, um eine Beständigkeit gegenüber einem Durchbruch zu verbessern. Der Basisbereich des RC-IGBT kann zum Außenbereich verlängert werden. Die Feldstoppschicht 26 kann je nach Bedarf entfernt werden.
Bei den Ausführungsformen wird der Basisbereich 20 durch die Graben-Gate-Elektroden 21 in mehrere Basisabschnitte 20a bis 20c, die in der ersten planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 angeordnet sind, unterteilt. Alternativ können planare Gate-Elektroden anstelle der Graben-Gate-Elektroden verwendet werden.
Bei den Ausführungsformen ist der Messwiderstand 102 mit der Emitterseite und der Anodenseite des Messelements 32 verbunden. Alternativ kann der Messwiderstand 102 mit der Kollektorseite und der Kathodenseite des Messelements 32 verbunden sein.
Bei den Ausführungsformen ist die Störstellenkonzentration des Basisabschnitts 20c größer als jede der Störstellenkonzentrationen des Basisabschnitts 20a und des Basisabschnitts 20b. Alternativ kann die Störstellenkonzentration des Basisabschnitts 20c, wie in 19 gezeigt, geringer als jede der Störstellenkonzentrationen der Basisabschnitte 20a, 20b sein, ohne dass die Form des Basisabschnitts 20c geändert wird. Auch in solch einem Fall werden die Löcher, die während eines FWD-Betriebs vom Basisbereich 20c in das Halbleitersubstrat 10 injiziert werden, derart verringert, dass die Erholbeständigkeit verbessert werden kann.
Bei den Ausführungsformen ist die Dicke des Basisabschnitts 20c von der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 größer als jede der Dicken der Basisabschnitte 20a, 20b. Alternativ kann die Dicke des Basisabschnitts 20c, wie in 20 gezeigt, geringer als jede der Dicken der Basisabschnitte 20a, 20b sein. Auch in solch einem Fall werden die Löcher, die während eines FWD-Betriebs vom Basisbereich 20c in das Halbleitersubstrat 10 injiziert werden, derart verringert, dass die Erholbeständigkeit verbessert werden kann.
Solche Änderungen und Modifikationen sollen als mit im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, so wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt wird, beinhaltet verstanden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-57235 A [0002]
- JP 2008-53648 [0002]
- JP 2004-88001 A [0004]
- JP 3156487 [0004]
- JP 2007-229959 [0062]
- JP 2007-268328 [0062]
- US 2008-0315248 A1 [0142, 0151, 0152, 0153, 0155]

Claims

Halbleitervorrichtung mit: – einem Halbleitersubstrat (10) ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten Oberfläche (10a) und einer der ersten Oberfläche (10a) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (10b), wobei das Halbleitersubstrat (10) eine Dickenrichtung von der ersten Oberfläche (10a) zur zweiten Oberfläche (10b) und eine planare Richtung senkrecht zur Dickenrichtung aufweist; – einem Hauptbereich (11), der auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) angeordnet ist und eine erste Größe entlang der ersten Oberfläche (10a) des Halbleitersubstrats (10) aufweist, wobei der Hauptbereich (11) einen vertikalen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (30) zum Durchlassen eines ersten Stroms und eine vertikale Freilaufdiode (31) zum Durchlassen eines zweiten Stroms aufweist, und wobei die Freilaufdiode (31) antiparallel zum Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (30) geschaltet ist; und – einem Messbereich (13), der auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) angeordnet ist und eine zweite Größe entlang der ersten Oberfläche (10a) des Halbleitersubstrats (10) aufweist, wobei die zweite Größe geringer als die erste Größe ist, und wobei der Messbereich (13) ein Messelement (32) zum Durchlasen eines dritten Stroms proportional zum ersten Strom und zum Durchlassen eines vierten Stroms proportional zum zweiten Strom aufweist, wobei – der Messbereich (13) einen Basisbereich (20) zweiten Leitfähigkeitstyps an einem Oberflächenabschnitt der Seite ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) aufweist, wobei der Basisbereich (20) mehrere Basisabschnitte (20a bis 20c) aufweist, die in einer ersten Richtung parallel zur planaren Richtung des Halbleitersubstrats (10) angeordnet sind, – ein erster Abschnitt (20a) der mehreren Basisabschnitte (20a bis 20c) einen ersten Bereich (22) ersten Leitfähigkeitstyps an seinem Oberflächenabschnitt aufweist, wobei der erste Bereich (22) eine höhere Störstellenkonzentration als das Halbleitersubstrat (10) aufweist, – ein zweiter Abschnitt (20c) der mehreren Basisabschnitte (20a bis 20c) an einem Ende des Basisbereichs (20) in der ersten Richtung angeordnet ist, – sowohl der erste Abschnitt (20a) der mehreren Basisabschnitte (20a bis 20c) als auch der zweite Abschnitt (20c) der mehreren Basisabschnitte (20a bis 20c) einen Basiskontaktbereich (23) zweiten Leitfähigkeitstyps an seinem Oberflächenabschnitt aufweist, wobei der Basiskontaktbereich (23) eine höhere Störstellenkonzentration als der Basisbereich (20) aufweist, – der erste Bereich (22) elektrisch mit dem Basiskontaktbereich (23) verbunden ist, – ein zweiter Bereich (24) zweiten Leitfähigkeitstyps an einem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet und in der Dickenrichtung direkt unterhalb des Basisbereichs (20) des Messbereichs (13) angeordnet ist, – der dritte Strom zwischen dem ersten Bereich (22) und dem zweiten Bereich (24) fließt, – ein dritter Bereich (25, 27) zweiten Leitfähigkeitstyps an dem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet ist und eine höhere Störstellenkonzentration als das Halbleitersubstrat (10) aufweist, – der vierte Strom zwischen dem Basiskontaktbereich (23) und dem dritten Bereich (25, 27) fließt, und – der dritte Bereich (25, 27) in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats (10) einen vorbestimmten Abstand vom Basisbereich (20) getrennt ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Basisbereich (20) in der planaren Richtung eine rechteckige Form aufweist; und – der dritte Bereich (25, 27) entsprechend wenigstens zwei Seiten des Basisbereichs (20) in der planaren Richtung und im gleichen Abstand von den wenigstens zwei Seiten des Basisbereichs (20) angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich (25, 27) entsprechend vier Seiten des Basisbereichs (20) in der planaren Richtung und im gleichen Abstand von den vier Seiten des Basisbereichs (29) angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der dritte Bereich (25, 27) nicht direkt unterhalb des Hauptbereichs (11) angeordnet ist; und – der dritte Bereich (25, 27) eine Ringform aufweist, um die vier Seiten des Basisbereichs (20) in der planaren Richtung zu umgeben.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der dritte Bereich (25, 27) einen ersten Abschnitt (25) und einen zweiten Abschnitt (27) aufweist, – der erste Abschnitt (25) des dritten Bereichs (25, 27) in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) direkt unterhalb des Hauptbereichs (11) angeordnet ist; und – der zweite Abschnitt (27) des dritten Bereich (25, 27) in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) nicht direkt unterhalb des Hauptbereichs (11) angeordnet ist und eine rechtwinklig ausgebildete C-Form aufweist, um drei Seiten des Basisbereichs (20) in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats (10) zu umgeben.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich (25, 27) in der planaren Richtung eine Außenkante des Basisbereichs (20) umgibt und in der planaren Richtung im gleichen Abstand von der Außenkante des Basisbereichs (20) angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich (25, 27) in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) nicht direkt unterhalb des Hauptbereichs (11) angeordnet ist und eine Ringform aufweist, um die Außenkante des Basisbereichs (20) in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats (10) zu umgeben.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des dritten Bereichs (25, 27) in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) direkt unterhalb des Hauptbereichs (11) angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (10) einen Lebensdauerbegrenzer (28) im Messbereich (13) aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Lebensdauer von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat (10) als τ [μs] definiert ist; – ein Diffusionskoeffizient der Ladungsträger als D [cm²/s] definiert ist; – ein fester Wert größer oder gleich eins als K definiert ist; – ein kürzester Abstand zwischen dem Basiskontaktbereich (23) und dem dritten Bereich (25, 27) in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats (10) als L1 [μm] definiert ist; – ein Abstand zwischen dem Basiskontaktbereich (23) und dem dritten Bereich (25, 27) in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) als L2 [μm] definiert ist; – K·D = 40,7 [cm2/s]; – K·D·τ – L22 ≥ 0; und – L1 ≥ (K·D·τ – L22)1/2.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass L1 = (K·D·τ – L2²)^1/2
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist: – eine Feldstoppschicht (26), die auf der Seite zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet ist und eine Störstellenkonzentration zwischen der Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats (10) und der Störstellenkonzentration des dritten Bereichs (25, 27) aufweist, wobei die Feldstoppschicht (26) eine obere und eine untere Oberfläche aufweist, die sich in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) gegenüberliegen, und die untere Oberfläche auf sowohl dem zweiten Bereich (24) als auch dem dritten Bereich (25, 27) angeordnet ist, wobei – ein spezifischer Widerstand des Halbleitersubstrats (10) als ρ1 [Ωcm] definiert ist, – ein spezifischer Widerstand der Feldstoppschicht (26) als ρ2 [Ωcm] definiert ist, – eine Dicke des Halbleitersubstrats (10) von der ersten Oberfläche (10a) zur oberen Oberfläche der Feldstoppschicht (26) als L3 [μm] definiert ist, – eine Dicke der Feldstoppschicht (26) von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche als L4 [μm] definiert ist, – eine Hälfte einer minimalen Breite des zweiten Bereichs (24) als W2 [μm] definiert ist, und – (ρ1/ρ2)·(L3·L4/W22) < 1,6 ist.
Halbleitervorrichtung mit: – einem Halbleitersubstrat (10) ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten Oberfläche (10a) und einer der ersten Oberfläche (10a) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (10b), wobei das Halbleitersubstrat (10) eine Dickenrichtung von der ersten Oberfläche (10a) zur zweiten Oberfläche (10b) und eine planare Richtung senkrecht zur Dickenrichtung aufweist; – einem Hauptbereich (11), der auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) angeordnet ist und eine erste Größe entlang der ersten Oberfläche (10a) des Halbleitersubstrats (10) aufweist, wobei der Hauptbereich (11) einen vertikalen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (30) zum Durchlassen eines ersten Stroms und eine vertikale Freilaufdiode (31) zum Durchlassen eines zweiten Stroms aufweist, und wobei die Freilaufdiode (31) antiparallel zum Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (30) geschaltet ist; und – einem Messbereich (13), der auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) angeordnet ist und eine zweite Größe entlang der ersten Oberfläche (10a) des Halbleitersubstrats (10) aufweist, wobei die zweite Größe geringer als die erste Größe ist, und wobei der Messbereich (13) ein Messelement (32) zum Durchlasen eines dritten Stroms proportional zum ersten Strom und zum Durchlassen eines vierten Stroms proportional zum zweiten Strom aufweist, wobei – der Messbereich (13) einen Basisbereich (20) zweiten Leitfähigkeitstyps an einem Oberflächenabschnitt der Seite ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) aufweist, wobei der Basisbereich (20) mehrere Basisabschnitte (20a bis 20c) aufweist, die in einer ersten Richtung parallel zur planaren Richtung des Halbleitersubstrats (10) angeordnet sind, – ein erster Abschnitt (20a) der mehreren Basisabschnitte (20a bis 20c) einen ersten Bereich (22) ersten Leitfähigkeitstyps an seinem Oberflächenabschnitt aufweist, wobei der erste Bereich (22) eine höhere Störstellenkonzentration als das Halbleitersubstrat (10) aufweist, – ein zweiter Abschnitt (20c) der mehreren Basisabschnitte (20a bis 20c) an einem Ende des Basisbereichs (20) in der ersten Richtung angeordnet ist, – sowohl der erste Abschnitt (20a) der mehreren Basisabschnitte (20a bis 20c) als auch der zweite Abschnitt (20c) der mehreren Basisabschnitte (20a bis 20c) einen Basiskontaktbereich (23) zweiten Leitfähigkeitstyps an seinem Oberflächenabschnitt aufweist, wobei der Basiskontaktbereich (23) eine höhere Störstellenkonzentration als der Basisbereich (20) aufweist, – der erste Bereich (22) elektrisch mit dem Basiskontaktbereich (23) verbunden ist, – ein zweiter Bereich (24) zweiten Leitfähigkeitstyps an einem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet ist, – der dritte Strom zwischen dem ersten Bereich (22) und dem zweiten Bereich (24) fließt, – ein dritter Bereich (25, 27) zweiten Leitfähigkeitstyps an dem Oberflächenabschnitt der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet ist und eine höhere Störstellenkonzentration als das Halbleitersubstrat (10) aufweist, – der vierte Strom zwischen dem Basiskontaktbereich (23) und dem dritten Bereich (25, 27) fließt, – der zweite Bereich (24) und der dritte Bereich (25, 27) benachbart zueinander angeordnet sind, – das Halbleitersubstrat (10) einen Lebensdauerbegrenzer (28) im Messbereich (13) aufweist, – eine Lebensdauer von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat (10) als τ [μs] definiert ist; – ein Diffusionskoeffizient der Ladungsträger als D [cm²/s] definiert ist; – ein fester Wert größer oder gleich eins als K definiert ist; – ein kürzester Abstand zwischen dem Basiskontaktbereich (23) und dem dritten Bereich (25, 27) in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats (10) als L1 [μm] definiert ist; – ein Abstand zwischen dem Basiskontaktbereich (23) und dem dritten Bereich (25, 27) in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) als L2 [μm] definiert ist; – K·D = 40,7 [cm2/s], wenn K·D·τ – L22 ≥ 0, L1 ≥ (K·D·τ – L22)1/2, und wenn K·D·τ – L22 < 0, L1 ≥ 0.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – K·D·τ–L22 ≥ 0, und – L1 = (K·D·τ – L22)1/2.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – K·D·τ – L22 < 0, und – L1 = 0.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner mehrere Gate-Elektroden (21), die im Messbereich (13) auf der Seite der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet sind, wobei der dritte Bereich (25, 27) in der planaren Richtung des Halbleitersubstrats (10) außerhalb der äußersten Gate-Elektrode der mehreren Gate-Elektroden (21) und in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) direkt unterhalb des Basisbereichs (20) angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass – jede der mehreren Gate-Elektroden (21) einen Graben aufweist, der sich von der ersten Oberfläche (10a) des Halbleitersubstrats (10) in einer vorbestimmten Tiefe erstreckt, wobei der Graben mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt ist; und – die mehreren Gate-Elektroden (21) den Basisbereich (20) in mehrere Basisabschnitte (20a bis 20c) teilen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich (25, 27) direkt unterhalb des Basiskontaktbereichs (23) des zweiten Abschnitts (20c) der mehreren Basisabschnitte (20a bis 20c) angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist: – eine Feldstoppschicht (26), die auf der Seite der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet ist und eine Störstellenkonzentration zwischen der Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats (10) und der Störstellenkonzentration des dritten Bereichs (25, 27) aufweist, wobei die Feldstoppschicht (26) eine obere und eine untere Oberfläche aufweist, die sich in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats (10) gegenüberliegen, und die untere Oberfläche auf sowohl dem zweiten Bereich (24) als auch dem dritten Bereich (25, 27) angeordnet ist, wobei – ein spezifischer Widerstand des Halbleitersubstrats (10) als ρ1 [Ωcm] definiert ist, – ein spezifischer Widerstand der Feldstoppschicht (26) als ρ2 [Ωcm] definiert ist, – eine Dicke des Halbleitersubstrats (10) von der ersten Oberfläche (10a) zur oberen Oberfläche der Feldstoppschicht (26) als L3 [μm] definiert ist, – eine Dicke der Feldstoppschicht (26) von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche als L4 [μm] definiert ist, – eine Hälfte einer minimalen Breite des zweiten Bereichs (24) als W2 [μm] definiert ist, und – (ρ1/ρ2)·(L3·L4/W22) < 1,6 ist.