DE102011005194A1 - Steuerung der Rekombinationsrate in einem bipolaren Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren zum Steuern der Rekombinationsrate in einer Basiszone eines bipolaren Halbleiterbauelements und ein entsprechendes bipolares Halbleiterbauelement. Das Verfahren umfasst: das Bereitstellen einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur (40), die eine an die Basiszone (11) angrenzende dielektrische Schicht (42), eine Steuerelektrode (41), die von der Basiszone (11) durch die dielektrische Schicht (42) getrennt ist, und Rekombinationszentren (43, 44) aufweist; und das Anlegen einer Steuerspannung (VC) zwischen der Steuerelektrode (41) und der Basiszone (11), nachdem das Halbleiterbauelement einen Ein-Zustand angenommen hat und bevor das Halbleiterbauelement einen Aus-Zustand annimmt, wobei die Steuerspannung so gewählt wird, dass in der Basiszone (11) ein elektrisches Feld erzeugt wird, das die Konzentration der Ladungstrager eines Leitungstyps im Bereich der Rekombinationszentren (43, 44) reduziert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein bipolares Halbleiterbauelement und insbesondere die Steuerung der Rekombination in der Basiszone eines bipolaren Halbleiterbauelements.
  • Bipolare Halbleiterbauelemente, wie etwa IGBTs, Bipolartransistoren, Dioden oder Thyristoren, beinhalten zwei komplementär dotierte Emitter und wenigstens eine Basiszone, die niedriger dotiert ist als die Emitter und die zwischen den Emittern angeordnet ist.
  • Im Ein-Zustand des Halbleiterbauelements, emittieren die beiden Emitter Ladungsträger unterschiedlicher Typen, d. h. p- und n-Ladungsträger, die ein Ladungsträgerplasma bilden. Eine hohe Anzahl von Ladungsträgern in der Basiszone, d. h. eine hohe Dichte des Ladungsträgerplasmas, bewirkt einen niedrigen Einschaltwiderstand des Bauelements. Eine hohe Plasmadichte führt jedoch im Ein-Zustand zu hohen Schaltverlusten, wenn das Bauelement abgeschaltet wird. Weiterhin kann eine hohe Plasmadichte im Ein-Zustand die Robustheit des Bauelements reduzieren.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein bipolares Hableiterbauelement, wie beispielsweise einen IGBT, einen Bipolartransistor, eine Diode oder einen Thyristor, mit einem niedrigen Einschaltwiderstand im Ein-Zustand und mit niedrigen Schaltverlusten beim Übergang vom Ein- in den Aus-Zustand zur Verfugung zu stellen, und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Bauelements mit dem Ziel, niedrige Schaltverlusten beim Übergang vom Ein- in den Aus-Zustand zu erreichen, zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch Halbleiterbauelement nach Anspruch 12 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteranspruchen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Rekombinationsrate in einem bipolaren Halbleiterbauelement, das in einem Ein- und in einem Aus-Zustand betrieben werden kann und das eine Basiszone aufweist, in der im Ein-Zustand ein Ladungstragerplasma mit p- und n-Ladungsträgern vorliegt. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur. Die Steuerstruktur umfasst eine an die Basiszone angrenzende dielektrische Schicht, eine Steuerelektrode, die von der Basiszone durch die dielektrische Schicht getrennt ist, und Rekombinationszentren. Das Verfahren umfasst weiterhin das Anlegen einer Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode und der Basiszone, nachdem das Halbleiterbauelement den Ein-Zustand angenommen hat und bevor das Halbleiterbauelement den Aus-Zustand annimmt. Die Steuerspannung wird so gewählt, dass in der Basiszone ein elektrisches Feld erzeugt wird, das die Konzentration von n- und/oder p-Ladungsträgern im Bereich der Rekombinationszentren reduziert.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein bipolares Halbleiterbauelement, das in einem Ein- und in einem Aus-Zustand betrieben werden kann. Das Bauelement umfasst: eine Basiszone, die dazu ausgebildet ist, im Ein-Zustand ein Ladungsträgerplasma mit p- und n-Ladungsträgern aufzunehmen; eine Rekombinationsraten-Steuerstruktur mit einer an die Basiszone angrenzenden dielektrischen Schicht, mit einer Steuerelektrode, die durch eine dielektrische Schicht von der Basiszone getrennt ist, und mit Rekombinationszentren. Das Bauelement umfasst weiterhin eine Treiberschaltung fur die Rekombinationsraten-Steuerstruktur, die dazu ausgebildet ist, eine Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode und der Basiszone anzulegen, nachdem die Halbleiterkomponente den Ein-Zustand angenommen hat und bevor die Halbleiterkomponente den Aus-Zustand annimmt. Die Steuerspannung ist so gewahlt, dass ein elektrisches Feld in der Basiszone entsteht, welches entweder die p- oder die n-Ladungsträgerkonzentration im Bereich der Rekombinationszentren reduziert.
  • Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Merkmale dargestellt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche Komponenten.
  • 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines als IGBT implementierten bipolaren Halbleiterbauelements mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur;
  • 2 veranschaulicht ein Ausfuhrungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem bipolaren Halbleiterbauelement, das eine Rekombinationsraten-Steuerstruktur aufweist;
  • 3 veranschaulicht anhand von Zeitdiagrammen das Funktionsprinzip des Bauelements gemaß 1;
  • 4 veranschaulicht ein Halbleiterbauelement mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
  • 5 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung eines lateralen IGBT mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur;
  • 6 veranschaulicht eine Draufsicht auf einen lateralen IGBT mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur;
  • 7 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung eines vertikalen IGBT mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Diode mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur;
  • 9 veranschaulicht ein Ausfuhrungsbeispiel einer lateralen Diode mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur;
  • 10 veranschaulicht ein Ausfuhrungsbeispiel einer vertikalen Diode mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur; und
  • 11 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Thyristors mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur.
  • 1 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsdarstellung eines bipolaren Halbleiterbauelements, das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als IGBT ausgebildet ist. Dieses Bauelement umfasst eine erste Basiszone 11 eines ersten Leitungstyps, eine erste Emitterzone 12 eines ersten Leitungstyps und eine zweite Emitterzone 21 eines zweiten Leitungstyps. Die Basiszone 11 ist zwischen den ersten und zweiten Emitterzonen 12, 21 angeordnet und hat eine niedrigere Dotierungskonzentration als die Emitterzonen 12, 21. Die Dotierungskonzentrationen der ersten und zweiten Emitterzonen 12, 21 liegen beispielsweise im Bereich zwischen 1012 cm–3 und 1021 cm–3, wobei die zweite Emitterzone 21 niedriger dotiert sein kann als die erste Emitterzone 12. Die Dotierungskonzentration der ersten Basiszone 11 liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 1012cm–3 und 1015cm–3. Die Dotierungskonzentration der ersten Basiszone 11 und deren Abmessung in einer Stromflussrichtung des Bauelement beeinflusst maßgeblich die Spannungsfestigkeit des Bauelements.
  • In einem IGBT, beispielsweise dem in 1 dargestellten IGBT, wird die erste Basiszone 11 auch als Driftzone 11, die erste Emitterzone 12 auch als Source- oder Emitterzone und die zweite Emitterzone 21 auch als Drain- oder Kollektorzone bezeichnet. Der IGBT kann entweder einen Ein- oder einen Aus-Zustand annehmen. Zum Ein- und Ausschalten weist das Bauelement eine Schaltzustandsteuerstruktur auf. Diese Steuerstruktur weist eine zweite Basiszone 22 auf, die komplementär zu der ersten Emitterzone (Sourcezone) 12 und zu der Basiszone (Driftzone) 11 dotiert ist. Die zweite Basiszone 22, die auch als Bodyzone bezeichnet wird, ist zwischen der ersten Emitterzone 12 und der ersten Basiszone 11 angeordnet. Die Schaltzustandsteuerstruktur weist weiterhin eine Gateelektrode 31 auf, die benachbart zu der Bodyzone 22 angeordnet ist und die durch ein Gatedielektrikum 32 von der Bodyzone getrennt ist. Die Gateelektrode 31 ist dazu ausgebildet, einen Inversionskanal entlang des Gatedielektrikums 32 in der Bodyzone 22 zwischen der ersten Emitterzone 12 und der ersten Basiszone 11 zu steuern. Das Bauelement befindet sich in seinem Ein-Zustand wenn ein Inversionskanal in der Bodyzone 22 vorliegt und es befindet sich in seinem Aus-Zustand, wenn der Inversionskanal unterbrochen ist.
  • Die bisher erlauterte Struktur entspricht der Struktur eines üblichen IGBTs, der durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung zwischen einem Gateanschluss G, der die Gateelektrode kontaktiert, und einem Emitter- oder Sourceanschluss E, der die erste Emitterzone 12 kontaktiert, in seinen Ein-Zustand oder in seinen Aus-Zustand geschaltet werden kann. Zum besseren Verständnis der Erfindung, wird zunachst das grundlegende Funktionsprinzip eines IGBT erläutert.
  • Zu Zwecken der Erlauterung wird angenommen, dass die erste Basiszone 11 und die erste Emitterzone 12 n-dotierte Halbleiterzonen sind, und dass die Bodyzone 22 und die zweite Emitterzone 21 p-dotierte Zonen sind. Das Bauelement befindet sich in seinem Ein-Zustand wenn eine positive Spannung zwischen einem Kollektor oder einem Drainanschluss K, der die zweite Emitterzone 21 kontaktiert, und einem Source oder einem Emitteranschluss E anliegt, und wenn eine positive Spannung zwischen dem Gateanschluss G und dem Emitteranschluss E anliegt. Im Ein-Zustand emittiert die erste Emitterzone 12 n-Ladungstrager uber den Inversionskanal in der Bodyzone 22 in die erste Basiszone 11, und die zweite Emitterzone 21 emittiert p-Ladungstrager in die erste Basiszone 11. Diese n- und p-Ladungstrager bilden in der ersten Basiszone 11 ein Ladungsträgerplasma. Dieses Ladungstragerplasma bewirkt einen niedrigen Einschaltwiderstand des Bauelements.
  • Wenn das Bauelement allerdings abgeschaltet wird, d. h. wenn der Inversionskanal in der Bodyzone 21 durch geeignetes Ansteuern der Gateelektrode 31 unterbrochen wird, muss dieses Ladungstragerplasma aus der ersten Basiszone 11 entfernt werden, um zu erreichen, dass das Bauelement sperrt. Da das Entfernen der Ladungstrager etwas Zeit benötigt, gibt es eine Zeitverzögerung zwischen dem Zeitpunkt des Unterbrechens des Inversionskanals und dem Zeitpunkt des vollständigen Abschaltens des Bauelements. Diese Verzögerungszeit, während der das Bauelement langsam abschaltet, und der Strom, der wahrend dieser Verzögerungszeit fließt, fuhrt zu Schaltverlusten.
  • Um die Verzögerungszeit und die Schaltverluste zu senken, weist das bipolare Halbleiterbauelement außerdem eine Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 auf. Die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 umfasst eine Steuerelektrode 41, die benachbart zu der ersten Basiszone 11 angeordnet ist, und eine dielektrische Schicht 42, die zwischen der Steuerelektrode 41 und der ersten Basiszone 11 angeordnet ist. Die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 weist weiterhin Rekombinationszentren 43, 44 auf. Die Rekombinationszentren 43, 44 sind in einem Grenzgebiet zwischen der dielektrischen Schicht 42 und der ersten Basiszone 11 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich sind Rekombinationszentren 44 in der ersten Basiszone 11 beabstandet zu der dielektrischen Schicht 42 angeordnet.
  • Rekombinationszentren sind beispielsweise Kristallfehlstellen oder Schwermetallatome, beispielsweise Goldatome (Au) oder Platinatome (Pt) im Halbleiterkristall, in dem die erste Basiszone 11 implementiert ist. Kristallfehlstellen konnen in dem Halbleiterkristall beispielsweise durch Implantieren von Atomen oder Ionen, wie beispielsweise Heliumionen, Protonen, Halbleiteratomen, wie beispielsweise Siliziumatomen, oder Argonatomen, in den Halbleiterkristall erzeugt werden. Außerdem konnen unvermeidbare freie Bindungen (dangling bonds) in dem Grenzgebiet zwischen dem Halbleiterkristall der ersten Basiszone und der dielektrischen Schicht als Rekombinationszentren fungieren.
  • Die dielektrische Schicht ist beispielsweise eine Oxidschicht, wie etwa eine Siliziumoxidschicht (SiO2), eine Nitridschicht, wie etwa eine Siliziumnitridschicht (Si3N4), eine Oxynitridschicht oder aber ein Schichtstapel aus wenigstens zweien dieser Materialien. Oxynitrid ist eine Zusammensetzung aus Silizium, Sauerstoff und Stickstoff mit der Formel SixOyNz. Die Konzentration von Rekombinationszentren in dem Grenzgebiet zwischen der dielektrischen Schicht 42 und der ersten Basiszone 11 kann eingestellt werden durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter beim Aufwachsen oder Abscheiden der dielektrischen Schicht 42 auf die Basiszone 11.
  • Die Konzentration von Rekombinationszentren kann beispielsweise durch die Konzentration freier Bindungen an der Halbleiteroberfläche beeinflusst werden. Die Konzentration von Rekombinationszentren kann beispielsweise minimiert werden durch thermisches Aufwachsen einer stöchiometrischen Siliziumoxidschicht (SiO2) als dielektrische Schicht auf den die Basiszone bildenden Halbleiterkristall und durch Minimieren der nicht-stöchiometrischen Ubergangszone zwischen dem Halbleiterkristall und dem SiO2. Ein geeignetes Verfahren zum Herstellen einer dielektrischen Schicht und damit zum Minimieren der Rekombinationszentren beinhaltet: Reinigen der Halbleiteroberfläche; thermisches Aufwachsen eines Oxids, wie beispielsweise Siliziumoxid (SiO2), in einer sauerstoff-(O2)-haltigen Atmosphare, dies teilweise in Anwesenheit von Chlorwasserstoff (HCl), bei Temperaturen im Bereich zwischen 950°C und 1050°C; Annealing (Aufheizen) in einer inerten Atmosphäre, wie beispielsweise einer stickstoff-(N2)-haltigen Atmosphäre bei einer gleichen oder geringfügig reduzierten Temperatur; einen Abkühlschritt; und schließlich Abkühlen des Bauelements im Anschluss an dieses Verfahren in einer sauerstoffhaltigen oder sogar einer feuchtigkeitshaltigen Atmosphäre. Kontaminationen auf der Halbleiteroberflache vor dem Aufwachsen der Oxidschicht, das Abscheiden einer SiO2-Schicht und/oder einer Si3N4-Schicht und/oder einer SixOyNz-Schicht oder die Erzeugung von Versetzungen im Kristallgitter können die Dichte der Rekombinationszentren erhöhen.
  • Rekombinationszentren aufgrund von Oxidation sind bekannt, wie beispielsweise Pb- oder Pb0-Zentren. Um die Konzentration von Rekombinationszentren in einer Halbleiterschicht nach dem Herstellen einer Oxidschicht zu reduzieren, kann Wasserstoff-Annealing, d. h. ein Annealing in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre, wie etwa einer HCl-haltigen Atmosphäre, durchgeführt werden. Wasserstoff-Annealing ist zum weitgehenden Neutralisieren von Rekombinationszentren geeignet. Daher kann die Konzentration von Rekombinationszentren eingestellt werden, wenn ein derartiges Wasserstoff-Annealing nach einem Oxidationsprozess zum Herstellen einer Oxidschicht als dielektrische Schicht nicht durchgeführt wird oder indem die Temperatur und die Zeitdauer beim Schritt des Wasserstoff-Annealing geeignet eingestellt wird. Alternativ werden jene Gebiete der dielektrischen Schicht 42, in denen eine höhere Konzentration von Rekombinationszentren gewünscht wird, wahrend dem Schritt des Wasserstoff-Annealing mit einer Diffusionsbarriere abgedeckt.
  • Weiterhin können Rekombinationszentren in einem Grenzgebiet zwischen einer Oxidschicht und einer Halbleiterschicht durch Nitrieren der Oxidschicht hergestellt werden.
  • Es ist allgemein bekannt, dass Rekombinationszentren die Rekombination von n- und p-Ladungstragern in einer Halbleiterzone, wie etwa der ersten Basiszone 11, fördern. Wenn sich das Bauelement in seinem Ein-Zustand befindet, ist eine hohe Rekombinationsrate in dieser ersten Basiszone 11 unerwünscht, da rekombinierende Ladungsträger nicht zur Stromleitung beitragen. Deshalb steigt der Einschaltwiderstand des Bauelements mit zunehmender Rekombinationsrate bzw. Rekombinationsgeschwindigkeit an. Eine hohe Rekombinationsrate ist hingegen beim Ausschalten oder kurz vor dem Ausschalten des Halbleiterbauelements erwünscht, da Ladungsträger, die in der ersten Basiszone 11 rekombinieren, nicht über die ersten und zweiten Emitterzonen 12, 21 aus der Basiszone 11 entfernt werden müssen. Eine hohe Rekombinationsrate beim Ausschalten oder kurz vor dem Ausschalten tragt zur Herabsetzung der Schaltverluste des Bauelements bei.
  • Die Rekombinationsrate U in einer Halbleiterzone, beispielsweise der ersten Basiszone 11, ist gegeben durch:
    Figure 00090001
    (Siehe: Sze: "Semiconductor Devices, Physics and Technology", 2nd edition, John Wiley & Sons, 2002, Page 46, eq. 48). Hier ist vth die thermische Ladungstragergeschwindigkeit, Nt die Konzentration von Rekombinationszentren in der Halbleiterzone, σn der Elektronen-Einfangquerschnitt, σn der Löcher-Einfangquerschnitt, pn ist die Konzentration von Löchern bzw. p-Ladungsträgern, nn die Konzentration von Elektronen bzw. n-Ladungstragern, nl die intrinsische Konzentration, Et ist das Energieniveau des Rekombinationszentrums, El ist das Ferminiveau, k ist die Boltzmannkonstante und T ist die absolute Temperatur.
  • Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass die Konzentrationen pn an p-Ladungsträgern und nn an n-Ladungstragern in dem Gebiet um die Rekombinationszentren die Rekombinationsrate maßgeblich beeinflussen. Wenn die Konzentration eines Ladungsträgertyps verglichen mit der Konzentration des jeweils anderen Ladungsträgertyps sehr gering ist, so ist die Rekombinationsrate U auch sehr gering (aufgrund des Terms pnnn im Nenner des Terms auf der rechten Seite der Gleichung (1)). Bei konstanten anderen Parametern besteht ein Maximum der Rekombinationsrate, wenn die Konzentration pn der p-Ladungsträger und die Konzentration nn der n-Ladungstrager naherungsweise gleich sind; d. h. wenn gilt: pn = nn.
  • Die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 gemaß 1 nutzt die Abhängigkeit der Rekombinationsrate U von den Konzentrationen von p- und n-Ladungen, um die Rekombinationsraten bzw. Rekombinationsgeschwindigkeiten von Ladungstragern in den Gebieten um die Rekombinationszentren in der ersten Halbleiterzone 11 zu steuern. Die Steuerelektrode 41 der Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 kann verwendet werden, um eine an die dielektrische Schicht angrenzende Verarmungszone zu steuern, wobei diese Verarmungszone an Ladungstragern eines Typs verarmt ist. In diesem Zusammenhang bedeutet ”verarmt”, dass die Konzentration von Ladungsträgern eines Typs in der Verarmungszone verglichen mit der Ladungstragerkonzentration eines anderen Typs reduziert ist. Wenn ein elektrisches Feld zum Verarmen des Gebiets nahe der dielektrischen Schicht verwendet wird, so bewirkt dieses elektrische Feld ein Ansteigen der Konzentration der Ladungsträger des anderen Typs. Die Verarmungszone kann ein n-Verarmungszone sein, also eine an n-Ladungsträgern verarmte Verarmungszone, oder sie kann eine p-Verarmungszone sein, also eine an p-Ladungstragern verarmte Verarmungszone.
  • Wenn eine p-Verarmungszone vorhanden ist, werden deshalb p-Ladungstrager des Ladungstragerplasmas, das in der ersten Basiszone 11 vorliegt, von den Rekombinationszentren 43, 44 ”ferngehalten”, wenn sich das Bauelement im Ein-Zustand befindet, wohingegen bei einer n-Verarmungszone n-Ladungsträger des Ladungstragerplasmas von den Rekombinationszentren ferngehalten werden. In beiden Fällen ist die Rekombinationsrate von p- und n-Ladungstragern deutlich reduziert, verglichen mit einer Situation ohne Verarmungszone, die dann vorliegt, wenn Ladungsträger beider Typen in dem Gebiet um die Rekombinationszentren vorhanden sind.
  • Generell konnen die n- oder p-Verarmungszonen durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen dem Steueranschluss C, der die Elektrode 41 kontaktiert, und der ersten Basiszone 11 gesteuert werden, wobei diese Steuerspannung nachfolgend als Rekombinationsraten-Steuerspannung bezeichnet wird. Der Zustand des Bauelements, in dem eine Verarmungszone vorhanden ist, wird im Folgenden als ”Zustand mit einer ersten Rekombinationsrate” und der Zustand, in dem keine Verarmungszone vorhanden ist, wird als ”Zustand mit einer zweiten Rekombinationsrate” oder als ”Zustand mit erhöhter Rekombinationsrate” bezeichnet. Die für den Zustand mit der ersten oder der zweiten Rekombinationsrate erforderliche Rekombinationsraten-Steuerspannung ist von der Art der Rekombinationsraten-Steuerstruktur abhangig. Ohne feste Ladungen in der dielektrischen Schicht, ist bei Steuerspannung von Null oder bei nur einer kleinen Steuerspannung keine Verarmungszone vorhanden. Deshalb wird die zweite Rekombinationsrate erreicht, wenn eine Steuerspannung von Null oder wenn nur kleine Steuerspannung angelegt wird. In diesem Fall können p-Verarmungszonen durch Anlegen einer positiven Spannung zwischen dem Steueranschluss C und der ersten Basiszone 11 erreicht werden, und n-Verarmungszonen können durch Anlegen einer negativen Spannung zwischen dem Steueranschluss C und dem ersten Basisgebiet 11 erreicht werden. In beiden Fällen wird die erste (niedrigere) Rekombinationsrate erreicht. Aufgrund eines geringfügigen Spannungsabfalls zwischen der Source- und der Drainzone im Ein-Zustand des Bauelements, kann die effektive Spannung über der dielektrischen Schicht 42 und das Ausmaß der Verarmung, d. h. die Breite der Verarmungsgzone, geringfügig variieren.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel existieren feste Ladungen (fixed charges) bzw. feste Ladungsträger in der dielektrischen Schicht 42. Diese Ladungsträger bewirken ein elektrisches Feld in der Basiszone 11 bei kleinen Rekombinationsraten-Steuerspannungen oder einer Rekombinationsraten-Steuerspannung von Null. Ob diese festen Ladungsträger ausreichen, um eine Verarmungszone zu bewirken, hängt von der Ladungstragerkonzentration ab. Angenommen diese Ladungsträger bewirken eine Verarmungszone, dann ist die Rekombinationsraten-Steuerstruktur, die notwendig ist zum Erzielen der ersten Rekombinationsrate, gleich Null. Zum Erzielen der zweiten Rekombinationsrate müssen Steuerspannungen angelegt werden, die ungleich Null sind und die das von den festen Ladungsträgern herrührende elektrische Feld kompensieren. Angenommen, es liegen beispielsweise positive Ladungen vor, dann wird es notwendig, verglichen mit dem Potential in der ersten Basiszone 11, das zur Erzielung der zweiten Rekombinationsrate notwendig ist, eine negative Spannung eines bestimmten Bereichs an den Steueranschluss C anzulegen. Das Anlegen einer zu niedrigen oder einer zu hohen Steuerspannung bewirkt eine Verarmung an Löchern bzw. Elektronen und folglich eine verringerte Rekombinationsrate.
  • Die Rekombinationsraten-Steuerspannung ist so gewählt, dass die Rekombinationszentren 43, 44 innerhalb der Verarmungszone liegen, die durch Anlegen der Rekombinationsraten-Steuerspannung zwischen dem Steueranschluss C und der ersten Basiszone 11 erzeugt wird, wobei der Wert der Steuerspannung klein sein oder Null betragen kann, wenn in der dielektrischen Schicht feste oder ”gefangene” Ladungen (trapped charges) vorliegen. Wenn die Rekombinationszentren 43 sich in dem Grenzgebiet zwischen der dielektrischen Schicht 42 und der ersten Basiszone 11 befinden, ist eine Verarmungszone erforderlich, die sich, ausgehend von der dielektrischen Schicht 42, weniger tief in die erste Basiszone hinein erstreckt, als in solchen Fällen bei denen die Rekombinationszentren entfernt zu der dielektrischen Schicht angeordnet sind. Die Amplitude der Steuerspannung liegt bei einigen wenigen bis zu einigen Volt und liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0 V und 20 V, insbesondere liegt sie zwischen 1 V und 10 V oder zwischen 1 V und 5 V.
  • Bezugnehmend auf Gleichung 1 beeinflusst der Einfangquerschnitt in Kombination mit der Konzentration von Rekombinationszentren die Rekombinationsrate. Ladungsträger innerhalb des Einfangquerschnitts eines Rekombinationszentrums können rekombinieren. Um die Rekombinationsrate zu reduzieren sollte deshalb die Verarmungszone so erzeugt werden, dass sie sich über den Einfangquerschnitt der Rekombinationszentren hinaus erstreckt.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Steuern der Rekombinationsrate in der ersten Basiszone 11 wird nun unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erlautert. 2 zeigt ein elektrisches Schaltsymbol eines IGBT gemäß 1. Dieses elektrische Schaltsymbol basiert auf dem Schaltsymbol eines üblichen IGBT und weist einen Gateanschluss G, einen Kollektoranschluss K und einen Emitteranschluss E auf. Weiterhin gibt es einen Steueranschluss C zum Anlegen der Rekombinationsraten-Steuerspannung VC. Diese Steuerspannung VC kann entweder zwischen den Steueranschluss C und die Basiszone 11 oder zwischen den Steueranschluss C und eine von weiteren Zonen des IGBT angelegt werden, die elektrisch mit dem ersten Basisgebiet 11 gekoppelt ist. Die Steuerspannung VC wird beispielsweise zwischen den Steueranschluss C und den Emitteranschluss E angelegt, wobei der Emitteranschluss E elektrisch sowohl die Sourcezone 12 als auch die Bodyzone 22 kontaktiert. In 2 ist VGE die Gatesteuerspannung zum Ein- und Ausschalten des Bauelements, VKE ist die Spannung über der Laststrecke (Kollektor-Emitter-Spannung) und IK ist der Laststrom durch das bipolare Halbleiterbauelement.
  • Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass die Laststrecke (Kollektor-Emitter-Pfad) des Bauelements in Reihe zu einer Last zwischen Anschlusse fur ein erstes und ein zweites Versorgungspotential V+, GND geschaltet ist. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Halbleiterbauelement als Low-Side-Schalter verschaltet, d. h. die Lastrecke des Bauelements ist zwischen die Last und die Klemme für das negative Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND geschaltet. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Das im Folgenden veranschaulichte Funktionsprinzip gilt auch für Halbleiterbauelemente, die als High-Side-Schalter verschaltet sind, oder für Halbleiterbauelemente, die als Schalter in Halb- oder Vollbrückenschaltungen verschaltet sind.
  • Fur die folgende Erlauterung wird weiterhin angenommen, dass die erste Basiszone 11 und die erste Emitterzone 12 n-dotierte Halbleiterzonen sind, und dass die zweite Basiszone (Bodyzone) 22 und die zweite Emitterzone 22 p-dotierte Halbleiterzonen sind. Die nachfolgenden Erlauterungen gelten jedoch auch für Bauelemente, deren Halbleiterzonen komplementär dotiert sind. In diesem Fall müssen die Polaritäten der im Folgenden erläuterten Spannungen vertauscht werden.
  • Das Bauelement wir – wie ein konventioneller IGBT – eingeschaltet durch Anlegen einer positiven Spannung zwischen dem Kollektor- und dem Emitteranschluss K, E und durch Anlegen eines Steuerpotentials an die Gateelektrode 31, das geeignet ist zum Erzeugen eines leitenden Kanals (Inversionskanals) in der Bodyzone 22 zwischen der ersten Emitterzone 12 und der ersten Basiszone 11. Wenn das Bauelement eingeschaltet ist, emittiert die erste Emitterzone 12 Ladungsträger eines ersten Typs, wie beispielsweise n-Ladungsträger, in die erste Basiszone 11, und die zweite Emitterzone 21 emittiert Ladungsträger eines zweiten Typs, wie beispielsweise p-Ladungsträger, in die Basiszone 11. Diese Ladungstrager bilden in der ersten Basiszone 11 ein Ladungstragerplasma.
  • Das Bauelement wird ausgeschaltet, wenn der Inversionskanal in der Bodyzone 22 durch geeignetes Ansteuern der Gateelektrode 31 unterbrochen wird. Das Gatepotential, d. h. das Potential der Gateelektrode 31, ist beispielsweise ein Potential relativ zu dem Potential der Emitterelektrode E bzw. der ersten Emitterzone 12. Zum Erzeugen eines Inversionskanals wird ein Gatepotential angelegt, das gegenuber dem Emitterpotenzial positiv ist, bzw. es wird eine positive Gate-Emitter-Spannung VGE angelegt. Zum Unterbrechen des Inversionskanals ist das Gatepotenzial beispielsweise ein Potenzial, das gleich dem Emitterpotenzial ist oder das unterhalb dem Emitterpotential liegt. Wenn sich das Bauelement in seinem Aus-Zustand befindet, breitet sich in der ersten Basiszone 11 ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Bodyzone 22 und der ersten Basiszone 11 eine Raumladungszone aus. Zur gleichen Zeit mussen die Ladungsträger, die das Ladungsträgerplasma in der ersten Basiszone bilden, aus der ersten Basiszone 11 entfernt werden, wobei p-Ladungstrager in Richtung des n-Emitters 12 und n-Ladungstrager in Richtung des p-Emitters 21 fließen.
  • In 3 bezeichnet t0 einen Zeitpunkt, bei dem die Gate-Emitter-Spannung VGE einen Ein-Pegel annimmt, also einen Pegel, bei dem das Bauelement eingeschaltet wird. Beginnend bei diesem Zeitpunkt verringert sich die Spannung VKE über der Laststrecke bis sie einen Minimalwert annimmt und der Kollektorstrom IK steigt an. Das Bauelement ist vollständig eingeschaltet, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung VKE ihren Minimalwert und der Kollektorstrom IK seinen Maximalwert annimmt, wobei der Maximalwert des Kollektorstroms IK unter anderem von der Art der Last Z abhangig ist.
  • Beim Einschalten des Bauelements ist ein niedriger Einschaltwiderstand und daher eine niedrige Rekombinationsrate wünschenswert. Deshalb wird die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung VC zwischen dem Steueranschluss C und der ersten Basiszone 11 so angesteuert, dass die Rekombinationsrate niedrig gehalten wird, d. h. die Rekombinationsrate entspricht der ersten Rekombinationsrate. Bei dem in 3 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel umfasst die Steuerspannung VC zwei mögliche Signalpegel: einen ersten Signalpegel, der in dem vorliegenden Beispiel ein High-Pegel ist; und einen zweiten Pegel, der in dem vorliegenden Beispiel ein Low-Pegel ist. Zu Zwecken der Erlauterung sei angenommen, dass der erste Signalpegel der Rekobminationsraten-Steuerspannung VC die erste (oder niedrige) Rekombinationsrate repräsentiert, und dass entsprechend der zweite Signalpegel der Rekombinationsraten-Steuerspannung VC die zweite (oder erhohte) Rekombinationsrate repräsentiert. Der erste Signalpegel wird so gewahlt, dass sich eine Verarmungszone eines Typs in der ersten Basiszone ausbildet. Wahrend der Zeitdauer, bei der sich die Steuerspannung VC auf ihrem ersten Pegel befindet, ist die Effizienz der Rekombinationszentren 43, 44 reduziert, da Ladungsträger eines Typs von den Rekombinationszentren ferngehalten werden.
  • Die Effizienz der Rekombinationszentren 43, 44 wird jedoch erhöht, wenn die Rekombinationsraten-Steuerspannung den zweiten Signalpegel annimmt. Bezugnehmend auf 3 nimmt die Steuerspannung VC den zweiten Signalpegel zu einem Zeitpunkt t1 an, bevor das Bauelement ausgeschaltet wird. In 3 bezeichnet t2 den Zeitpunkt, bei dem das Bauelement ausgeschaltet wird, also jenen Zeitpunkt, zu dem der Inversionskanal in der Bodyzone 22 durch Abschalten der Gate-Emitter-Spannung unterbrochen wird. Obwohl die Laststreckenspannung zum Zeitpunkt t2 beginnt anzusteigen, sperrt das Bauelement allerdings erst zu einem späteren Zeitpunkt t3 vollständig, nämlich dann, wenn der Kollektorstrom IK auf Null abgefallen ist.
  • Die Verzögerungszeit zwischen dem Zeitpunkt t2, zu dem die Schaltsteuerspannung VGE abgeschaltet wird, und dem Zeitpunkt t3, zu dem das Bauelement schließlich sperrt, ist unter anderem von der Dichte des Ladungstragerplasmas abhangig, das der ersten Basiszone 11 zu einer Zeit vorliegt, bevor das Bauelement abgeschaltet wird. Diese Verzögerungszeit (zwischen t2 und t3) und somit auch die Schaltverluste können reduziert werden durch Erhöhung der Rekombinationsrate in der ersten Basiszone 11 vor dem Zeitpunkt t2, zu dem das Bauelement abgeschaltet wird. Die Rekombinationsrate wird erhöht durch Schalten der Rekombinationsraten-Steuerspannung VC auf den zweiten Signalpegel zum Zeitpunkt t1 vor dem Abschaltzeitpunkt t2. Das Erhöhen der Rekombinationsrate bewirkt einen erhohten Einschaltwiderstand und folglich auch eine erhöhte Spannung VKE über dem Lastpfad. Durch geeignete Wahl der Zeitdifferenz ΔT zwischen dem Zeitpunkt, ab dem die Rekombinationsraten-Steuerspannung erhöht wird, und dem Zeitpunkt t2, zu dem das Bauelement ausgeschaltet wird, können die aus dem erhöhten Einschaltwiderstand resultierenden Verluste gering gehalten werden im Vergleich zu den durch das Erhohen der Rekombinationsrate erzielten Verlustreduktion.
  • Bezugnehmend auf 3 kann die Rekombinationsraten-Steuerspannung VC zum Zeitpunkt t0 auf ihren ersten Signalpegel geschaltet werden, an dem das Bauelement eingeschaltet wird. Es ist jedoch auch moglich, die Rekombinationsraten-Steuerspannung VC auf ihren ersten Signalpegel zu schalten, schon bevor das Bauelement eingeschaltet wird (in gestrichelten Linien dargestellt). Die Zeitdifferenz ΔT liegt beispielsweise im Bereich von mehreren Mikrosekunden (μs) und kann an den Laststrom angepasst werden, der die Ladungsträgerdichte beeinflusst.
  • Ton bezeichnet die Einschaltdauer, also die Zeitdauer für die die Schaltsteuerspannung VGE ihren Ein-Pegel annimmt. Die Zeitdauer ΔT-Ton, während der sowohl das Bauelement eingeschaltet ist als auch die Rekombinationsrate niedrig ist, kann zwischen 50% und 99% der Einschaltdauer Ton liegen. Beispielsweise beträgt ΔT zwischen 1% und 50% der Einschaltdauer Ton.
  • Die Schaltsteuerspannung VGE und die Rekombinationsraten-Steuerspannung VC werden beispielsweise von einer Treiberschaltung 60 erzeugt (in 6 in gestrichelten Linien dargestellt), die diese Steuerspannungen in Abhängigkeit eines Eingangssignals Sin erzeugt. Dieses Eingangssignal Sin ist beispielsweise ein Signal, welches von einer Steuerschaltung, wie etwa einem Mikrokontroller, bereitgestellt wird. Dieses Eingangssignal Sin ist beispielsweise ein Signal, welches allgemein die Einschalt- und die Ausschaltdauern des Halbleiterbauelements festlegt, während die Treiberschaltung 60 die Steuerspannungen VGE und VC gemaß den Zeitdiagrammen in 3 so erzeugt, dass die Einschaltdauern Ton und die Ausschaltdauern des Halbleiterbauelements den durch das Eingangssignal Sin vorgegebenen Zeiten entsprechen, und dass es Zeitperioden während den Einschaltdauern gibt, die kurzer sind als die Einschaltdauern und während denen die Rekombinationsrate erhöht ist.
  • Das bipolare Halbleiterbauelement weist eine Stromflussrichtung auf, welche die Richtung ist, in der in dessen Einzustand ein Strom durch die erste Basiszone 11 fließt, und welche die Richtung von einer 12 der Emitterzonen zu der anderen 21 der Emitterzonen ist. Die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 kann sich in der Stromflussrichtung vollständig entlang der Basiszone 11 zwischen der Bodyzone 22 und der zweiten Emitterzone 21 oder nur entlang von Teilbereichen der ersten Basiszone 11 erstrecken.
  • Wenn sich das Bauelement in seinem Aus-Zustand befindet, fällt die zwischen dem Kollektoranschluss K und dem Emitteranschluss E angelegte Laststreckenspannung im Wesentlichen über der ersten Basiszone 11 ab. Abhängig von der Ausdehnung der ersten Basiszone 11 in der Stormflussrichtung und abhängig von deren Dotierungskonzentration, kann die Sperrspannungsfähigkeit des Bauelements in einem Bereich von bis zu mehreren hundert oder tausend Volt liegen. Wenn sich das Bauelement in seinem Aus-Zustand befindet und die Rekombinationsraten-Steuerelektrode 41 auf einem konstanten Potential, wie etwa dem Emitterpotential, gehalten wird, dann fällt eine Spannung über der dielektrischen Schicht 42 ab. Diese Spannung variiert in der Stromflussrichtung und besitzt ihr Maximum nahe der zweiten Emitterzone 21 an. Der maximale Spannungsfall ist etwa gleich der Spannung über der Laststrecke, so dass für Hochspannungs-Halbleiterbauelemente eine dielektrische Schicht 42 mit hoher Durchschlagsfestigkeit bzw. Spannungsfestigkeit erforderlich ist. Die Durchschlagsfestigkeit der dielektrischen Schicht 42 kann durch Erhöhen der Dicke der dielektrischen Schicht 42 erhöht werden. Mit zunehmender Dicke der dielektrischen Schicht 42 werden jedoch auch höhere Rekombinationsraten-Steuerspannungen VC erforderlich.
  • 4 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines IGBT, bei dem die an die dielektrische Schicht 42 angelegte Spannung reduziert ist. Während bei dem Bauelement gemäß 1 die Steuerelektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Metall oder hochdotiertem polykristallinen Halbleitermaterial, wie etwa Polysilizium, besteht, besteht die Steuerelektrode 41 gemäß 4 aus einem monokristallinen Halbleitermaterial und umfasst zwei komplementar dotierte Halbleiterzonen: eine erste Halbleiterzone 45 und eine zweite Halbleiterzone 46, die einen pn-Übergang zwischen den beiden Hableiterzonen 45, 46 bilden. Der Steueranschluss C ist an die zweite Halbeiterzone 46 gekoppelt. Die ersten und die zweiten Halbleiterzonen 45, 46 sind aneinander angrenzend in Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements angeordnet, wobei die zweite Halbleiterzone 46 in Richtung der ersten Emitterzone 12 angeordnet ist, und wobei die erste Halbleiterzone 45 in Richtung der zweiten Emitterzone 21 angeordnet ist. Der Dotierungstyp der ersten Halbleiterzone 45 entspricht beispielsweise dem Dotierungstyp der ersten Basiszone 11.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt die Dotierungskonzentration der ersten Halbleiterzone 45 im Bereich der Dotierungskonzentration der Basiszone 11, wobei die Dotierungskonzentration der ersten Halbleiterzone 45 beispielsweise zwischen 75% und 125%, insbesondere zwischen 90% und 110%, der Dotierungskonzentration der Basiszone 11 liegt.
  • Ein Gleichrichterelement 48, wie beispielsweise eine Diode, ist zwischen die zweite Emitterzone 21, bzw. den Kathodenanschluss K, und die erste Halbleiterzone 45 geschaltet. Optional ist eine Kontaktzone 47 zwischen der ersten Halbleiterzone 45 und dem Gleichrichterelement 48 angeordnet, wobei die Kontaktzone 47 denselben Dotierungstyp aufweist wie die erste Halbleiterzone 45, jedoch höher dotiert ist. Die Dotierungskonzentration der ersten Halbleiterzone 45 ist so gewählt, dass die Ladungsträger vollständig aus der Halbleiterzone 45 entfernt werden können, wenn sich eine Raumladungszone in der ersten Halbleiterzone 45 ausbreitet, nämlich wenigstens in jenen Gebieten, in denen die erste Halbleiterzone 45 angrenzend an die Basiszone 11 angeordnet ist. Das Funktionsprinzip der Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 gemäß 4 wird nun erlautert. In diesem Zusammenhang sei angenommen, dass die erste Basiszone 11 und die erste Emitterzone 12 n-dotierte Halbleiterzonen sind, dass die zweite Emitterzone 21 und die zweite Basiszone 22 p-dotierte Halbleiterzonen sind, und dass die zweite Halbleiterzone 46 der Steuerelektrode 41 eine p-dotierte Halbleiterzone ist.
  • Befindet sich das Bauelement in seinem Ein-Zustand, so wirkt die Steuerelektrode 41 als Steuerelektrode in der vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschriebenen Weise. Im Ein-Zustand des Halbleiterbauelements ist die Spannung über der Laststrecke – aufgrund des niedrigen Einschaltwiderstandes – sehr klein und liegt beispielsweise in einem Bereich von 1 V bis 5 V. Der Spannungsfall ist jedoch abhängig von dem Laststrom. Beim Anlegen einer Rekombinationsraten-Steuerspannung VC nimmt die Steuerelektrode entlang ihrer gesamten Lange das elektrische Potential des Steueranschlusses C an. Das Gleichrichterelement 48 ist so verschaltet, dass das Gleichrichterelement 48 sperrt, wenn die Steuerelektrode 41 ein relativ zu dem Potential der zweiten Emitterzone 21 positives Potential annimmt. Wenn die Rekombinationsraten-Steuerspannung VC den zweiten Signalpegel annimmt, also im vorliegenden Beispiel einen niedrigen Pegel (Low-Pegel), um die Rekombinationsrate zu erhöhen, so entspricht das elektrische Potential der Steuerelektrode 41 dem elektrischen Potential in dem Bereich der ersten Emitterzone 12 hin zu der zweiten Emitterzone 21, oder aber liegt geringfugig oberhalb oder unterhalb dieser Spannung. Dieses Potential ist jedoch nicht ausreichend, um eine Verarmungszone zu bewirken, die die Rekombinationsrate wesentlich reduziert (wenn in der dielektrischen Schicht keine festen Ladungsträger vorliegen). Aufgrund des Spannungsfalls entlang der Basiszone, der aus der zwischen die ersten und zweiten Emitterzonen 12, 21 angelegten Spannung resultiert, variiert entlang der Basiszone 11 die Breite der Verarmungszone und folglich auch die Rekombinationsrate. Mittels der Steuerspannung kann die Rekombinationsrate jedoch auf deutlich unterschiedliche Werte gesetzt werden, durch Einstellen der an die Steuerelektrode 41 angelegten Spannung.
  • Wenn das Bauelement ausgeschaltet wird und sich eine Raumladungszone in der ersten Basiszone 11 ausbreitet, so steigt das Potential der zweiten Emitterzone 21 relativ zu dem Potential der ersten Emitterzone 12 an. Wenn der Anschluss der Steuerelektrode C auf einem konstanten Potential gehalten wird, wie beispielsweise auf dem Emitterpotential E, so breitet sich eine Raumladungszone auch ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzonen 45, 46 in der erste Halbleiterzone 45 aus. Auf diese Weise, entspricht der Spannungsfall über der ersten Basiszone 11 etwa dem Spannungsfall über der ersten Halbleiterzone 45, so dass das elektrische Potential in der ersten Halbleiterzone 45 dem elektrischen Potential in der ersten Basiszone 11 in Stromflussrichtung des Bauelements folgt. Deshalb ist ein Spannungsfall über der dielektrischen Schicht 42 in einer Richtung quer zu der Stromflussrichtung stets niedriger als der Spannungsfall über dem Lastpfad des Bauelements. In einem idealen Fall, bei dem das elektrischen Potential in der ersten Halbleiterzone 45 an einer gegebenen Position in Stromflussrichtung dem elektrischen Potential in der ersten Basiszone 11 an derselben Position in Stromflussrichtung entspricht, kann der Spannungsfall über der dielektrischen Schicht 42 den Wert Null erreichen.
  • Die 1 und 4 veranschaulichen die grundlegende Struktur einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur zum Steuern der Rekombinationsrate in einem bipolaren Halbleiterbauelement, wie beispielsweise einem IGBT. Diese Rekombinationsraten-Steuerstruktur kann in Verbindung mit jeder IGBT-Struktur verwendet werden, wie beispielsweise lateralen oder vertikalen IGBTs. In lateralen IGBTs ist die Stromflussrichtung eine laterale Richtung eines Halbleiterkörpers, in dem aktive Halbleiterzonen, wie beispielsweise Basis- und Emitterzonen, des Halbleiterbauelements, implementiert sind. In einem vertikalen Bauelement ist die Stromflussrichtung eine vertikale Richtung des Halbleiterkorpers.
  • 5 veranschaulicht einen Querschnitt durch einen lateralen IGBT gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. In diesem Bauelement sind die Gateelektrode 31 und die Rekombinationsraten-Steuerelektrode 41 in einer Richtung quer zu der Stromflussrichtung an gegenuberliegenden Seiten der ersten Basiszone 11 angeordnet. Die Rekombinationsraten-Steuerstruktur erstreckt sich von der Bodyzone 22 zu der zweiten Emitterzone 21 und überlappt die Bodyzone 22, die erste Basiszone 11 und die zweite Emitterzone 21 und ist von diesen Zonen durch die dielektrische Schicht 42 getrennt. Die Rekombinationsraten-Steuerelektrode 41 umfast zwei komplementär dotierte erste und zweite Halbleiterzonen 45, 46, wobei die Ausdehnung der ersten Halbleiterzone 45 in Stromflussrichtung der Ausdehnung der ersten Basiszone 11 entspricht, wobei die Ausdehnung der zweiten Halbleiterzone 46 in Stromflussrichtung der Ausdehnung der Bodyzone 22 entspricht, und wobei die Ausdehnung der optionalen Kontaktzone 47 der Ausdehnung der zweiten Emitterzone 21 in Stromflussrichtung entspricht. Die erste Emitterzone 12 ist in einer Richtung quer zu der Stromflussrichtung beabstandet zu der dielektrischen Schicht 42 angeordnet. Eine Emitterelektrode 13, die mit dem Emitteranschluss E gekoppelt ist, kontaktiert sowohl die erste Emitterzone 12 als auch die Bodyzone 22.
  • Das Halbleiterbauelement gemäß 5 umfasst zwei erste Emitterzonen 12, zwei Bodyzonen 22, zwei Gateelektroden 31 und zwei erste Basiszonen 11, wobei jede dieser Bauelementzonen im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der zweiten Emitterzone 21 angeordnet ist. Entsprechend weist die Rekombinationsraten-Steuerelektrode 41 zwei erste und zweite Halbleiterzonen 45, 46 auf, die bezüglich der optionalen Kontaktzone 47 symmetrisch angeordnet sind.
  • Die Anordnung mit der IGBT-Struktur und der Rekombinationsraten-Steuerstruktur ist auf einem Halbleitersubstrat 51 angeordnet, wobei die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 angrenzend an das Halbleitersubstrat 51, also zwischen dem Substrat 51 und der IGBT-Struktur, angeordnet ist. Der Dotierungstyp des Substrats entspricht beispielsweise dem Dotierungstyp der zweiten Halbleiterzone 46. Das Substrat 51 weist optional eine Öffnung 52 auf, die sich von einer Oberfläche 53 des Substrats bis zu der Steuerelektrode 41 erstreckt, so dass die erste Halbleiterzone 45 der Steuerelektrode 41 wenigstens teilweise nicht von dem Substrat 51 bedeckt ist. In diesem Fall kann das Substrat 51 jeden beliebigen Dotierungstyp sowie jede beliebige Dotierungskonzentration aufweisen. Die Dotierung der Basiszone 11 und der ersten Halbleiterschicht 45 sollte jedoch niedrig genug sein, um die Sperrspannung aufzunehmen. Die Öffnung 52 kann mit einem Dielektrikum, wie beispielsweise Luft, gefüllt werden.
  • 6 veranschaulicht in einer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements gemäß 5. Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel ist die zweite Emitterzone 21 streifenförmig. Die erste Emitterzone 12, die zweite Basiszone 22 und die erste Basiszone 11 sind bezüglich der zweiten Emitterzone 21 axialsymmetrisch angeordnet. Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel hat die zweite Emitterzone 21 eine kreisförmige oder rechteckige Geometrie und die anderen Bauelementzonen sind bezüglich dieser zweiten Emitterzone zentralsymmetrisch angeordnet.
  • 7 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsdarstellung eines vertikalen IGBT mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40. Bei diesem Bauelement sind die erste Emitterzone 12, die zweite Basiszone 22, die erste Basiszone 11 und die zweite Emitterzone 21 in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100, in dem diese Bauelementzonen integriert sind, aneinander angrenzend angeordnet. Der dargestellte IGBT ist ein Grabentransistor, d. h. dessen Gateelektrode 31 in einem Graben angeordnet ist, der sich ausgehend von einer ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers durch die erste Emitterzone 12 und durch die zweite Basiszone 22 in die erste Basiszone 11 erstreckt. Die Steuerstruktur 40 mit der Steuerelektrode 41, der dielektrischen Schicht 42 und den Rekombinationszentren 43 ist in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 an die erste Basiszone 11 angrenzend angeordnet. Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 eine erste Halbleiterzone 45, die an die erste Basiszone 11 angrenzt, eine zweite Halbleiterzone 46, die an die Bodyzone 22 angrenzt und von dem Steueranschluss C kontaktiert wird, und eine optionale Kontaktzone 47, die an die zweite Halbleiterzone 22 angrenzt. Das Gleichrichterelement 48 ist zwischen die zweite Emitterzone 22 und die erste Halbleiterzone 45 bzw. die Kontaktzone 47 geschaltet.
  • In dem Fall, in dem die Rekombinationsraten-Steuerstruktur so gewahlt wird, dass die an den Steueranschluss C angelegte Steuerspannung in einem Bereich zwischen Null und negativen Spannungen liegt, ist die Diode 48 nicht erforderlich und die Kontaktzone 47 kann direkt an die zweite Emitterzone 21 bzw. an den Kathodenanschluss K gekoppelt werden. Dies gilt für jedes der vorangehend erläuterten Ausführungsbeispiele.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Transistorbauelement eine Zellenstruktur mit einer Vielzahl identischer IGBT-Strukturen und einer Vielzahl von Rekombinationsraten-Steuerstrukturen auf, was in 7 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Die einzelnen IGBT-Strukturen sind parallel geschaltet und die einzelnen Rekombinationsraten-Steuerstrukturen sind ebenfalls parallel geschaltet.
  • Optional können die in den 1, 4, 5 und 7 gezeigten IGBTs eine Feldstoppzone 14 (dargestellt in gestrichelten Linien) aufweisen, die den selben Dotierungstyp wie die erste Basiszone 11 aufweist, die jedoch hoher dotiert ist, und die in der ersten Basiszone nahe der zweiten Emitterzone 21 angeordnet ist, oder die zwischen der ersten Basiszone 11 und der zweiten Emitterzone angeordnet ist.
  • Das vorstehend erläuterte Prinzip zum Steuern der Rekombinationsrate in einem bipolaren Halbleiterbauelement ist nicht auf die Verwendung in einem IGBT beschränkt, sondern kann vielmehr auch in Verbindung mit jedem anderen bipolaren Halbleiterbauelement verwendet werden. 8 zeigt schematisch eine Querschnittsdarstellung einer Diode mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40. Die Diode umfasst eine n-dotierte erste Emitterzone 112, die an einen Kathodenanschluss K gekoppelt ist, eine p-dotierte zweite Emitterzone 114, die an einen Anodenanschluss A gekoppelt ist, und eine p- oder n-dotierte erste Basiszone 111 zwischen der ersten und der zweiten Emitterzone 112, 114. Die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 mit einer Rekombinationsraten-Steuerelektrode 41, einer dielektrischen Schicht 42 und mit Rekombinationszentren 43, 44 ist angrenzend an die erste Basiszone 111 angeordnet. Die vorstehenden Erläuterungen bezüglich der Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 gelten entsprechend für die Rekombinationsraten-Steuerstruktur der Diode aus 8. Wie bei dem zuvor erläuterten IGBT wird die Rekombinationsraten-Steuerstruktur so angesteuert, dass im Ein-Zustand der Diode die Rekombination für eine gegebene Zeitdauer, wie beispielsweise die Zeitdauer ΔT gemäß 3, ansteigt, bevor die Diode ausgeschaltet wird. Anders als bei einem IGBT wird der Ein- und der Aus-Zustand einer Diode nicht mittels eines Steueranschlusses, sondern vielmehr mittels der Polarität einer zwischen den Kathoden- und Anodenanschluss angelegten Spannung gesteuert. Die Diode befindet sich in ihrem Ein-Zustand, wenn eine positive Spannung zwischen die Anoden- und Kathodenanschlüsse angelegt ist, und die Diode befindet sich in ihrem Aus-Zustand, wenn eine negative Spannung zwischen diesen Anschlüssen angelegt ist.
  • 9 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung einer Diode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die in 9 gezeigte Diode ist eine laterale Diode. Die Struktur dieser Diode basiert auf der in 5 dargestellten IGBT-Struktur, so dass die erste Emitterzone 112 und die erste Basiszone 111 bezüglich der zweiten Emitterzone 114 symmetrisch angeordnet sind. Die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 ist unterhalb der ersten und zweiten Emitterzonen 112, 114 und der ersten Basiszone 111 angeordnet. Die Rekombinationsraten-Steuerstruktur ist oberhalb eines Halbleitersubstrats 51 angeordnet, das eine optionale Öffnung 52 unterhalb der zweiten Halbleiterzone 45 der Rekombinationsraten-Steuerstruktur aufweist.
  • 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vertikalen Diode. Die in 10 dargestellte Diodenstruktur basiert auf der in 7 dargestellten IGBT-Struktur, wobei die Diodenstruktur eine erste Emitterzone 112 anstatt der ersten Emitterzone 12, der zweiten Basiszone 22 und anstatt der Gatesteuerstruktur aufweist.
  • 11 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Thyristors, insbesondere eines GTO-Thryistors (Gate-Turn-Off-Thyristor), mit einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur. Grundsätzlich unterscheidet sich ein Thyristor von einem IGBT dadurch, dass der Thyristor keine Steuerstruktur zum Steuern eines Inversionskanals in der zweiten Basiszone sondern einen Zünd- bzw. Gateanschluss zum Zünden des Bauelements aufweist. Bezugnehmend auf 11 beinhaltet der Thyristor eine n-dotierte zweite Emitterzone 212, die an einen GTO/Thyristoranschluss, der als Kathode K bezeichnet wird, gekoppelt ist, eine p-dotierte zweite Emitterzone 221, die an einen Anschluss gekoppelt ist, der als Anode A bezeichnet wird, eine n-dotierte erste Basiszone 211, die an die zweiten Emitterzonen 221 angrenzt, und eine p-dotierte zweite Basiszone 222 zwischen der erste Emitterzone 212 und der ersten Basiszone 211. Die Rekombinationsraten-Steuerstruktur 40 ist angrenzend an die erste Basiszone 211 angeordnet. Der Gateanschluss G ist an die zweite Basiszone 222 gekoppelt.
  • Jedes dieser vorangehend erlauterten bipolaren Bauelemente kann Emitterbrucken bzw. Emitterkurzschlusse aufweisen, die die entsprechende Emitterzone lokal kurzschließen.
  • Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch dann mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, wenn dies zuvor nicht explizit erläutert wurde.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Sze: ”Semiconductor Devices, Physics and Technology”, 2nd edition, John Wiley & Sons, 2002, Page 46, eq. 48 [0032]

Claims (25)

  1. Verfahren zum Steuern der Rekombinationsrate in einem bipolaren Halbleiterbauelement, das einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand annehmen werden kann und das eine Basiszone (11) aufweist, in der im Ein-Zustand ein Ladungsträgerplasma mit p- und n-Ladungsträgern vorliegt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Rekombinationsraten-Steuerstruktur (40), die eine an die Basiszone (11) angrenzende dielektrische Schicht (42), eine Steuerelektrode (41), die von der Basiszone (11) durch die dielektrische Schicht (42) getrennt ist, und Rekombinationszentren (43, 44) aufweist; und Anlegen einer Steuerspannung (VC) zwischen der Steuerelektrode (41) und der Basiszone (11), nachdem das Halbleiterbauelement den Ein-Zustand angenommen hat und bevor das Halbleiterbauelement den Aus-Zustand annimmt, wobei die Steuerspannung so gewahlt wird, dass in der Basiszone (11) ein elektrisches Feld erzeugt wird, das die Konzentration der Ladungsträger eines Leitungstyps im Bereich der Rekombinationszentren (43, 44) reduziert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Rekombinationszentren (43) in einem Grenzgebiet zwischen der dielektrischen Schicht (42) und der Basiszone (11) vorhanden sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Rekombinationszentren (44) beabstandet zu der dielektrischen Schicht (42) vorhanden sind.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rekombinationszentren (43, 44) freie Bindungen des Halbleiterkristalls und/oder Pb- oder Pb0-Zentren und/oder Kristallfehlstellen und/oder Schwermetallatome aufweisen.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Halbleiterbauelement weiterhin aufweist: einen ersten und einen zweiten Emitter (12, 22), die komplementär dotiert sind, wobei die Basiszone (11) zwischen dem ersten und dem zweiten Emitter (12, 22) angeordnet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Steuerelektrode (41) weiterhin aufweist: eine erste und eine zweite Steuerelektrodenzone (45, 46) aus einem Halbleitermaterial, die komplementär zueinander dotiert sind; und einen Steueranschluss (C), der die zweite Steuerelektrodenzone kontaktiert.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Steuerelektrode (41) weiterhin aufweist: ein Gleichrichterelement (48), das zwischen die zweite Emitterzone (21) und die erste Steuerelektrodenzone (45) gekoppelt ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem eine Dotierungskonzentration der ersten Steuerelektrodenzone (45) so gewahlt ist, dass die erste Steuerelektrodenzone (45) vollständig von Ladungsträgern ausgeräumt werden kann.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Dotierstoffkonzentration der ersten Steuerelektrodenzone (45) im Wesentlichen einer Dotierungskonzentration der Basiszone (11) entspricht.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die dielektrische Schicht (42) der Rekombinationsraten-Steuerstruktur (40) eine Oxidschicht und/oder eine Nitridschicht und/oder Oxynitridschicht aufweist.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in der dielektrischen Schicht (42) feste elektrische Ladungstrager vorhanden sind.
  12. Bipolares Halbleiterbauelement, das einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand annehmen kann und das aufweist: eine Basiszone (11), die dazu ausgebildet ist, im Ein-Zustand ein Ladungstragerplasma mit p- und n-Ladungsträgern aufzunehmen; und eine Rekombinationsraten-Steuerstruktur (40) mit einer an die Basiszone (11) angrenzenden dielektrischen Schicht (42), einer Steuerelektrode (41), die durch die dielektrische Schicht (42) von der Basiszone (11) getrennt ist, und mit Rekombinationszentren (43, 44).
  13. Bipolares Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, das weiterhin aufweist: eine Treiberschaltung (60) für die Rekombinationsraten-Steuerstruktur (40), der dazu ausgebildet ist, eine Steuerspannung (VC) zwischen der Steuerelektrode (41) und der Basiszone (11) anzulegen, nachdem das Halbleiterbauelement den Ein-Zustand angenommen hat und bevor das Halbleiterbauelement den Aus-Zustand annimmt, wobei die Steuerspannung so gewählt ist, dass ein elektrisches Feld in der Basiszone (11) entsteht, welches entweder die p-Ladungsträgerkonzentration oder die n-Ladungsträgerkonzentration im Bereich der Rekombinationszentren (43, 44) reduziert.
  14. Bipolares Halbleiterbauelement nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Rekombinationszentren (43) in dem Grenzgebiet zwischen der dielektrischen Schicht (42) und der Basiszone (11) liegen.
  15. Bipolares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem Rekombinationszentren (44) beabstandet zur dielektrischen Schicht (42) angeordnet sind.
  16. Bipolares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Rekombinationszentren freie Bindungen in dem Halbleiterkristall und/oder Pb- oder Pb0-Zentren und/oder Kristallfehlstellen und/oder schwere Metallatome aufweisen.
  17. Bipolares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 16, das weiterhin aufweist: einen ersten und einen zweiten Emitter (12, 22) die komplementär zueinander dotiert sind, wobei die Basiszone (11) zwischen dem ersten und dem zweiten Emitter (12, 22) angeordnet ist.
  18. Bipolares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem die Steuerelektrode (41) weiterhin aufweist: eine erste und eine zweite Steuerelektrodenzone (45, 46), aus einem Halbleitermaterial, wobei die Steuerelektrodenzonen komplementar zueinander dotiert sind; und eine Steuerklemme (C), die die zweite Steuerelektrodenzone (46) kontaktiert.
  19. Bipolares Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, bei dem die Steuerelektrode (41) weiterhin aufweist: ein Gleichrichterelement (48), das zwischen die zweite Emitterzone (22) und die erste Steuerelektrodenzone (45) gekoppelt ist.
  20. Bipolares Halbleiterbauelement nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die Dotierungskonzentration der ersten Steuerelektrodenzone (45) so gewählt ist, dass die erste Steuerelektrodenzone (45) vollstandig an Ladungstragern ausgeräumt werden kann.
  21. Bipolares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem die dielektrische Schicht der Rekombinationsraten-Steuerstrukutr eine Oxidschicht und/oder eine Nitridschicht und/oder Oxynitridschicht aufweist.
  22. Bipolares Halbleiterbauelement nach einem der Anspruche 12 bis 21, bei dem in der dielektrischen Schicht (42) feste elektrische Ladungstrager vorliegen.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder bipolares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 22, wobei das bipolare Halbleiterbauelement ein IGBT ist, der weiterhin aufweist: eine Schaltsteuerstruktur, die aufweist: eine zweite Basiszone (22), die zwischen der ersten Basiszone (11) und der ersten Emitterzone (12) angeordnet ist, eine Gateelektrode (31), die angrenzend an die zweite Basiszone (22) angeordnet und durch ein Gatedielektrikum (32) von der zweiten Basiszone (22) isoliert ist.
  24. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 11 oder bipolares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 22, wobei das bipolare Halbleiterbauelement als Diode ausgebildet ist.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder bipolares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 22 wobei das bipolare Halbleiterbauelement als Thyristor ausgebildet ist, der weiterhin aufweist: eine Schaltsteuerstruktur, die aufweist: eine zweite Basiszone (222), die zwischen der ersten Basiszone (211) und der ersten Emitterzone (212) angeordnet ist.
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