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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Dioden als Bestandteile eines Leistungsmoduls und insbesondere eine Halbleitervorrichtung, deren Spannungsfestigkeit verbessert sein kann, während ihr Sperrerholungsverlust verringern sein kann und eine Stoßspannung unterdrückt sein kann.
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US 2009/0 283 799 A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einer oberen Kontaktschicht und einer unteren Kontaktschicht. Die Halbleitervorrichtung weist ferner eine Bodyschicht mit einem ersten Leitungstyp auf, die mit der oberen Kontaktschicht verbunden ist. Ferner ist eine Driftschicht mit einem zweiten Leitungstyp zwischen der Bodyschicht und der unteren Kontaktschicht ausgebildet. Ein Bereich mit einer reduzierten Ladungsträgerkonzentration ist in der Driftschicht ausgebildet. In diesem Bereich nimmt eine Ladungsträgerlebensdauer in einer vertikalen Richtung kontinuierlich zu, sodass die Ladungsträgerlebensdauer in der Nähe der Bodyschicht am geringsten ist und in der Nähe der unteren Kontaktschicht am höchsten ist.
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Der Sperrerholungsverlust, der eine wichtige Eigenschaft von Dioden ist, ist für die Lebensdauer eines Ladungsträgers relevant. Wenn z. B. die Anzahl der Kristallbaufehler erhöht wird, um die Lebensdauer zu verkürzen, nimmt der Sperrerholungsverlust ab. Somit wird eine Technik zum Einführen von Kristallbaufehlern durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl und Steuern der Lebensdauer der gesamten Vorrichtung verwendet, um eine Diode zu erhalten, die einen beliebigen Sperrerholungsverlust aufweist.
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Darüber hinaus ist eine Diode vorgeschlagen worden, in der Kristallbaufehler zwischen einer N-Driftschicht und einer P-Anodenschicht teilweise eingeführt worden sind und eine Schicht mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer, deren Ladungsträger eine kurze Lebensdauer aufweisen, bereitgestellt ist (siehe
JP2003-249662 A ).
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Wenn die Lebensdauer der gesamten Vorrichtung verkürzt wird, um den Sperrerholungsverlust zu verringern, nimmt die Anzahl der Kristallbaufehler zu, was dazu führt, dass eine Stromverringerungsrate während der Sperrverzögerung zunimmt und dass eine Stoßspannung zunimmt, was oszillierendes Rauschen erzeugen kann. Darüber hinaus veranlasst die Erhöhung der Anzahl von Kristallbaufehlern eine Zunahme des Leckstroms und eine Abnahme der Spannungsfestigkeit. Da die Stromverringerungsrate zunimmt, wenn der Schwanzstrom abnimmt, nimmt die Stoßspannung zu.
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Wenn eine Schicht mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer nur zwischen der N-Driftschicht und der P-Anodenschicht bereitgestellt ist, nimmt ein Spitzenwert des Sperrerholungsstroms ab, was einen Vorteil schafft, dass die Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms abnimmt, wobei es aber einen Nachteil gibt, dass die Spannungsfestigkeit abnimmt und der Sperrerholungsverlust zunimmt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, deren Spannungsfestigkeit verbessert sein kann, während ihr Sperrerholungsverlust verringert ist und eine Stoßspannung unterdrückt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1.
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Mit der Erfindung kann eine Spannungsfestigkeit verbessert werden, während der Sperrerholungsverlust verringert wird und eine Stoßspannung unterdrückt wird.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 1;
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3 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 2;
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4 ein Diagramm von Simulationsergebnissen von Sperrerholungssignalformen während eines Sperrerholungsbetriebs der Vergleichsbeispiele 1 und 2;
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5 ein Diagramm einer Schaltung und von Parametern, die für die Simulation verwendet wurden;
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6 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 3;
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7 ein Diagramm von Simulationsergebnissen einer Sperrerholungssignalform während Sperrerholungsbetrieben in den Vergleichsbeispielen 1 und 3;
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8 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 4; und
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9 ein Diagramm von Simulationsergebnissen einer Sperrerholungssignalform während eines Sperrerholungsbetriebs in den Vergleichsbeispielen 1 und 4.
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1 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Über einer N–-Driftschicht 1 ist eine P-Anodenschicht 2 bereitgestellt. Unter der N–-Driftschicht 1 ist eine N+-Katodenschicht 3 bereitgestellt.
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Zwischen der N–-Driftschicht 1 und der P-Anodenschicht 2 ist eine erste Schicht 4 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer bereitgestellt. Zwischen der N–-Driftschicht 1 und der N+-Katodenschicht 3 ist eine zweite Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer bereitgestellt. Zwischen der N–-Driftschicht 1 und der zweiten Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer ist eine Schicht 6 mit mittlerer Ladungsträgerlebensdauer bereitgestellt. Die erste und die zweite Schicht 4 und 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer und die Schicht 6 mit mittlerer Ladungsträgerlebensdauer werden durch lokales Einstrahlen von Protonen in die N–-Driftschicht 1 ausgebildet.
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Eine Ladungsträgerlebensdauer τ2 in der ersten und in der zweiten Schicht 4 und 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer ist kürzer als eine Lebensdauer τ1 in der N–-Driftschicht 1 (τ2 < τ1). Eine Lebensdauer τ3 in der N+-Katodenschicht 3 ist länger als die Lebensdauer τ1 in der N–-Driftschicht 1 (τ1 < τ3). Eine Lebensdauer τ4 und eine Störstellenkonzentration in der Schicht 6 mit mittlerer Ladungsträgerlebensdauer besitzen Werte zwischen jenen der zweiten Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer und der N–-Driftschicht 1 (τ2 < τ4 < τ1).
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Nachfolgend werden Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu einem Vergleichsbeispiel beschrieben. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 1. Die Vorrichtung des Vergleichsbeispiels 1 besteht aus einer N–-Driftschicht 1, aus einer P-Anodenschicht 2 und aus einer N+-Katodenschicht 3, wobei die gesamte Vorrichtung dieselbe Lebensdauer τ1 aufweist. 3 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 2. Im Vergleichsbeispiel 2 ist zwischen einer N–-Driftschicht 1 und einer P-Anodenschicht 2 eine erste Schicht 4 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer bereitgestellt.
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4 ist ein Diagramm von Simulationsergebnissen von Sperrerholungssignalformen während eines Sperrerholungsbetriebs der Vergleichsbeispiele 1 und 2. 5 ist ein Diagramm einer Schaltung und von Parametern, die für die Simulation verwendet wurden. Eine Lebensdauer τ1 der gesamten Vorrichtung im Vergleichsbeispiel 1 wurde zu 0,7 μs angenommen, eine Lebensdauer τ2 der ersten Schicht 4 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer im Vergleichsbeispiel 2 wurde zu 0,03 μs angenommen und eine Lebensdauer τ1 der anderen Schichten betrug 0,7 μs.
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Zu Beginn des ersten Sperrerholungsbetriebs verschwinden Ladungsträger in der ersten Schicht 4 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer schnell. Somit ist ein Spitzenwert Irr des Sperrerholungsstroms unterdrückt und nimmt die Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms in der Nähe des Spitzenwerts Irr ab. Genauer beträgt die Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms im Vergleichsbeispiel 1 858,0 A·cm–2·μs–1 und nimmt er im Vergleichsbeispiel 2 auf 587,0 A·cm–2·μs–1 ab. Somit ermöglicht die erste Schicht 4 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer, eine Stoßspannung je nach der Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms zu unterdrücken und oszillierendes Rauschen ebenfalls zu unterdrücken.
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6 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 3. Im Vergleichsbeispiel 3 ist zwischen einer N–-Driftschicht 1 und einer N+-Katodenschicht 3 eine zweite Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer bereitgestellt. 7 ist ein Diagramm, das Simulationsergebnisse einer Sperrerholungssignalform während der Sperrerholungsbetriebe in den Vergleichsbeispielen 1 und 3 darstellt. Für die Simulation wurden die Schaltung und die Parameter in 5 verwendet. Für die Lebensdauer τ1 der gesamten Vorrichtung im Vergleichsbeispiel 1 wurden 0,7 μs angenommen, während eine Lebensdauer τ2 der zweiten Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer im Vergleichsbeispiel 3 0,03 μs betrug und eine Lebensdauer τ1 der anderen Schichten 0,7 μs betrug.
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Während des Sperrerholungsbetriebs verschwinden Ladungsträger schnell in der zweiten Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer. Somit nimmt ein Schwanzstrom drastisch ab und kann ein Sperrerholungsverlust erheblich verringert werden. Darüber hinaus wird durch Protonenbestrahlung eine Pseudopufferschicht mit einem Abgabeeffekt ausgebildet. Dadurch wird eine Verteilung des elektrischen Felds in einer verarmten Schicht, die erzeugt wird, wenn über die gesamte Driftschicht eine Spannung angelegt wird, gleichförmig und kann eine Spannungsfestigkeit verbessert werden.
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8 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 4. Im Vergleichsbeispiel 4 ist eine Lebensdauer τ3 in einer N+-Katodenschicht 3 länger als eine Lebensdauer τ1 in einer N–-Driftschicht 1. 9 ist ein Diagramm von Simulationsergebnissen einer Sperrerholungssignalform während eines Sperrerholungsbetriebs in den Vergleichsbeispielen 1 und 4. Für die Simulation wurden dieselbe Schaltung und dieselben Parameter wie in 5 verwendet. Im Vergleichsbeispiel 4 wurde die Störstellenkonzentration der N+-Katodenschicht 3 erhöht, um die Lebensdauer zu verlängern. Für die Störstellenkonzentration der N+-Katodenschicht 3 im Vergleichsbeispiel 1 wurden 1,0·10+19 Atome·cm–3 angenommen und für die Störstellenkonzentration der N+-Katodenschicht 3 im Vergleichsbeispiel 4 wurden 1,0·10+20 Atome·cm–3 angenommen.
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Wenn die Lebensdauer in der N+-Katodenschicht 3 verlängert wird, verschwinden Ladungsträger unmittelbar vor Verlust eines Schwanzstroms des Sperrerholungsbetriebs langsam. Aus diesem Grund nimmt die Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms ab. Genauer beträgt die Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms im Vergleichsbeispiel 1 858,0 A·cm–2·μs–1, während sie im Vergleichsbeispiel 4 auf 818,0 A·cm–2·μs–1 abnimmt. Somit kann eine Stoßspannung, die von der Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms abhängt, unterdrückt werden und kann oszillierendes Rauschen unterdrückt werden.
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Wie oben beschrieben wurde, besitzt die erste Schicht 4 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer einen Vorteil, dass der Spitzenwert des Sperrerholungsstroms abnimmt und dass die Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms abnimmt, während die erste Schicht 4 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer einen Nachteil besitzt, dass die Spannungsfestigkeit abnimmt und dass der Sperrerholungsverlust zunimmt. Darüber hinaus führt die zweite Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer dazu, dass der Schwanzstrom drastisch abnimmt, was einen Vorteil schafft, dass sich die Spannungsfestigkeit verbessert und dass der Sperrerholungsverlust abnimmt, während die zweite Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer einen Nachteil besitzt, dass der Spitzenwert des Sperrerholungsstroms zunimmt und dass die Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms zunimmt. Darüber hinaus schafft die Verlängerung der Lebensdauer der N+-Katodenschicht 3 einen Vorteil, dass die Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms unmittelbar vor Verschwinden des Schwanzstroms abnimmt, während sie einen Nachteil besitzt, dass sich der Sperrerholungsverlust verschlechtert.
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Diese Nachteile der ersten und der zweiten Schicht 4 und 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer und der N+-Katodenschicht 3 heben sich auf, so dass nur Vorteile verbleiben. Somit kann die Spannungsfestigkeit verbessert werden, während der Sperrerholungsverlust verringert wird. Darüber hinaus kann eine Stoßspannung unterdrückt werden, da die Verringerungsrate des Sperrerholungsstroms in der Nähe des Spitzenwerts und vor dem Verlust des Schwanzstroms während des Sperrerholungsbetriebs abnimmt. Somit kann oszillierendes Rauschen, wenn der Sperrerholungsverlust abnimmt, unterdrückt werden.
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Darüber hinaus kann die Schicht 6 mit mittlerer Ladungsträgerlebensdauer wie im Fall der zweiten Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer den Sperrerholungsverlust verringern und die Spannungsfestigkeit verbessern. Da die Lebensdauer und die Störstellenkonzentration in der Schicht 6 mit mittlerer Ladungsträgerlebensdauer Werte zwischen der zweiten Schicht 5 mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer und der N–-Driftschicht 1 annehmen, fungiert die Schicht 6 mit mittlerer Ladungsträgerlebensdauer als eine Pufferschicht, die beide Schichten verbindet.
