DE102013211572B4 - Halbleiterbauelement mit ladungsträgerlebensdauerreduktionsmitteln - Google Patents

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    • H01L29/41766—Source or drain electrodes for field effect devices with at least part of the source or drain electrode having contact below the semiconductor surface, e.g. the source or drain electrode formed at least partially in a groove or with inclusions of conductor inside the semiconductor

Abstract

Halbleiterbauelement, das aufweist:
ein Zellengebiet (110), das wenigstens eine Bauelementzelle aufweist, wobei die wenigstens eine Bauelementzelle ein erstes Bauelementgebiet (14) eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist;
ein Driftgebiet (11) eines zweiten Leitfähigkeittyps, das an das erste Bauelementgebiet (14) der wenigstens einen Bauelementzelle angrenzt;
ein dotiertes Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps, das an das Driftgebiet angrenzt und einen pn-Übergang mit dem Driftgebiet (11) bildet; und
Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmittel (41; 42), die dazu ausgebildet sind, eine Ladungsträgerlebensdauer in dem dotierten Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps zu reduzieren,
wobei eine Position der Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmittel (41; 42) in dem dotierten Gebiet (40; 44) des ersten Leitfähigkeitstyps so gewählt ist, dass ein von dem pn-Übergang ausgehendes Verarmungsgebiet die Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmittel (41; 42; 43; 44) nicht erreicht, wenn eine der Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements entsprechende Spannung an den pn-Übergang angelegt wird.

Description

  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen ein Halbleiterbauelement, wie beispielsweise einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), insbesondere einen in Rückwärtsrichtung leitenden (reverse conducting) IGBT(RC-IGBT), eine Diode oder einen MOSFET.
  • Ein RC-IGBT umfasst einen Gateanschluss, einen Kollektoranschluss (Drainanschluss) und einen Emitteranschluss (Sourceanschluss). Ein RC-IGBT kann in einem vorwärts gepolten Zustand betrieben werden, dies ist, wenn ein interner pn-Übergang zwischen einem Bodygebiet und einem Driftgebiet des RC-IGBT in Rückwärtsrichtung gepolt ist, und kann in einem rückwärts gepolten Zustand betrieben werden, dies ist, wenn der pn-Übergang in Vorwärtsrichtung gepolt ist. Im vorwärts gepolten Zustand leitet der RC-IGBT nur dann einen Strom, wenn ein geeignetes Ansteuerpotential an den Gateanschluss angelegt ist, während der RC-IGBT im rückwärts gepolten Zustand unabhängig von der Ansteuerung des Gateanschlusses einen Strom leitet. Im rückwärts gepolten Zustand funktioniert der RC-IGBT wie eine Diode, die Reverse-Recovery-Verluste verursachen kann, wenn der RC-IGBT vom rückwärts gepolten Zustand - wenn die Bodydiode leitend ist - in den vorwärts gepolten Zustand - wenn die Bodydiode rückwärts gepolt ist - kommutiert wird. Kommutieren bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Spannung die an die Anschlüsse des Bauteils, z.B. des IGBT, angelegt wird, ihr Vorzeichen (Polarität) durch eine externe elektrische Schaltung ändert.
  • Reverse-Recovery-Verluste können auch in einer bipolaren Diode auftreten, wenn diese von einem vorwärts gepolten in einen rückwärts gepolten Zustand kommutiert wird; und in einem MOSFET wenn eine integrierte Bodydiode von einem vorwärts gepolten in einen rückwärts gepolten Zustand kommutiert wird.
  • Die DE 10 2010 043 567 A1 beschreibt anhand von 4 einen IGBT mit einem Zellengebiet, in dem mehrere Transistorzellen angeordnet sind, die jeweils eine p-dotiertes Bodygebiet aufweisen. In einem Randgebiet, das an das Zellengebiet angrenzt, sind ringförmige p-dotierte Gebiete vorhanden, die das Zellengebiet umgeben. Ein n-dotiertes Driftgebiet grenzt an die Bodygebiete der Transistorzellen und die ringförmigen p-dotierte Gebiete an. Das Driftgebiet kann während der Herstellen mit Elektronen, Protonen, Helium oder dergleichen bestrahlt werden, um die Ladungsträgerlebensdauer einzustellen.
  • Die DE 10 2005 018 366 A1 beschreibt anhand von 14 einen RC-IGBT einen IGBT mit einem Zellengebiet, in dem mehrere Transistorzellen angeordnet sind, die jeweils eine p-dotiertes Bodygebiet aufweisen. In einem Randgebiet, das an das Zellengebiet angrenzt, sind ringförmige p-dotierte Gebiete vorhanden, die das Zellengebiet umgeben. Ein n-dotiertes Driftgebiet grenzt an die Bodygebiete der Transistorzellen und die ringförmigen p-dotierte Gebiete an und weist im Randgebiet eine niedrigere Ladungsträgerlebensdauer als im Zellengebiet auf.
  • Die US 2008 0315297 A1 beschreibt einen MOSFET mit einem Zellengebiet und einem Randgebiet. Ein n-dotiertes Driftgebiet ist im Zellengebiet und im Randgebiet angeordnet, wobei im Randgebiet p-dotierte Halbleitergebiete in dem Driftgebiet angeordnet sind. Das Driftgebiet weist im Randgebiet eine niedrigere Ladungsträgerlebensdauer als im Zellengebiet auf.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement mit reduzierten Reverse-Recovery-Verlusten bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 gelöst. Spezielle Ausführungsbeispiele und Verbesserungen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
  • Ein Ausführungsbeispiel betrifft ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement umfasst ein Zellengebiet mit wenigstens einer Bauelementzelle, wobei die wenigstens eine Bauelementzelle ein erstes Bauelementgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst. Das Halbleiterbauelement umfasst des Weiteren ein Driftgebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das an das erste Bauelementgebiet der wenigstens einen Bauelementzelle angrenzt, ein dotiertes Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das an das Driftgebiet angrenzt, und Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel, die die Ladungsträgerlebensdauer in dem dotierten Gebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps reduzieren.
  • Beispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Veranschaulichung des Grundprinzips, so dass nur solche Aspekte, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind, dargestellt ist. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.
    • 1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit ersten und zweiten Emittergebieten, einem Driftgebiet, Bauelementzellen und wenigstens einem parasitären Gebiet gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
    • 2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des parasitären Gebiets gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
    • 3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des parasitären Gebiets gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
    • 4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des parasitären Gebiets gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
    • 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
    • 6 veranschaulicht eine erste horizontale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements.
    • 7 veranschaulicht eine zweite horizontale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements.
    • 8 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
    • 9 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
    • 10 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines Zellengebiets eines Halbleiterbauelements.
    • 11 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
    • 12 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines Randgebiets eines Zellengebiets eines Halbleiterbauelements.
    • 13 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines IGBT, der Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel im Gebiet einer Oberfläche des Halbleiterkörpers aufweist.
    • 14 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel von Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmitteln detaillierter.
    • 15 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines MOSFET, der Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel im Gebiet einer Oberfläche des Halbleiterkörpers aufweist.
    • 16 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Bipolardiode, die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel im Gebiet einer Oberfläche des Halbleiterkörpers aufweist.
    • 17 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Bipolardiode, die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel im Gebiet einer Oberfläche des Halbleiterkörpers aufweist.
    • 18 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelements, das Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel im Gebiet einer Oberfläche des Halbleiterkörpers aufweist.
    • 19 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelements, das Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel im Gebiet einer Oberfläche des Halbleiterkörpers aufweist.
    • 20 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelements, das Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel im Gebiet einer Oberfläche des Halbleiterkörpers aufweist.
    • 21 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht noch eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelements, das Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel im Gebiet einer Oberfläche des Halbleiterkörpers aufweist.
  • In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wie die Erfindung realisiert werden kann.
  • 1 zeigt ein Halbleiterbauelement in einer vertikalen Schnittansicht, insbesondere ein Halbleiterbauelement, das einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) umfasst. Das Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer ersten Oberfläche 101 und einer der ersten Oberfläche 101 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 102. Der Halbleiterkörper 100 kann ein herkömmliches Halbleitermaterial wie Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), o.ä. umfassen. 1 zeigt eine Schnittansicht in einer vertikalen Ebene des Halbleiterkörpers 100, die senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 und der zweiten Oberfläche 102 ist.
  • Bezugnehmend auf 1 umfasst das Halbleiterbauelement ein erstes Emittergebiet 12 eines ersten Leitfähigkeitstyps und wenigstens ein zweites Emittergebiet 13 eines zum ersten Leitfähigkeitstyp komplementären zweiten Leitfähigkeitstyps. Das erste Emittergebiet 12 und das zweite Emittergebiet 13 sind beide jeweils mit einer ersten Elektrode 31 elektrisch leitend verbunden. Die erste Elektrode 31 bildet einen Kollektoranschluss (Drainanschluss) C des Halbleiterbauelements (des IGBTs) oder ist elektrisch leitend mit solch einem Kollektoranschluss C verbunden. Das Halbleiterbauelement umfasst zudem ein Driftgebiet 11 des zweiten Leitfähigkeitstyps. Das Driftgebiet 11 ist von der ersten Elektrode 31 durch das erste und zweite Emittergebiet 12, 13, die sich zwischen dem Driftgebiet 11 und der ersten Elektrode 31 befinden, räumlich getrennt. Das Driftgebiet 11 kann an das erste und zweite Emittergebiet 12, 13 angrenzen (wie dargestellt). Optional kann ein Feldstoppgebiet 17 (in gestrichelten Linien dargestellt) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das höher als das Driftgebiet 11 dotiert ist, zwischen dem Driftgebiet 11 und dem ersten und zweiten Emittergebiet 12, 13 angeordnet sein. Die Dotierungskonzentration des Driftgebiets 11 liegt beispielsweise zwischen 1012 (1E12) cm-3 und 1014 (1E14) cm-3. Die maximalen Dotierkonzentrationen des ersten und zweiten Emittergebiets 12, 13 liegen beispielsweise zwischen 1016 (1E16) cm-3 und 1021 (1E21) cm-3. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das nicht in 1 dargestellt ist, können Gebiete ohne erstes und zweites Emittergebiet 12, 13 vorhanden sein, wie z.B. in einer lateralen Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Emittergebiet 12, 13, wo die Dotierung des Driftgebiets 11 oder des optionalen Feldstoppgebiets 17 die erste Elektrode 31 erreichen können.
  • Bezugnehmend auf 1 umfasst das Halbleiterbauelement zudem ein Zellengebiet 110 mit wenigstens einer Bauelementzelle oder Transistorzelle. Im Ausführungsbeispiel in 1 umfasst das Zellengebiet 110 eine Vielzahl von Bauelementzellen. Jede Bauelementzelle umfasst dabei ein Bodygebiet 14 des ersten Leitfähigkeitstyps und ein Sourcegebiet 15 des zweiten Leitfähigkeitstyps. Das Bodygebiet 14 grenzt an das Driftgebiet 11 an, sodass ein pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 14 und dem Driftgebiet 11 gebildet ist. Das Sourcegebiet 15 ist vom Driftgebiet 11 durch das Bodygebiet 14 räumlich getrennt. Jede Bauelementzelle umfasst zudem eine Gateelektrode 21, die an das Bodygebiet 14 angrenzt und vom Bodygebiet 14 dielektrisch durch ein Gatedielektrikum 22 isoliert ist. Die Gateelektrode 21 erstreckt sich von dem Sourcegebiet 15 entlang des Bodygebiets 14 in einen Bereich des Driftgebiets 11, so dass die Gateelektrode 21 in der Lage ist, einen leitenden Kanal in dem Bodygebiet 14 zwischen dem Sourcegebiet 15 und dem Driftgebiet 11 entlang des Gatedielektrikums 22 zu steuern. Die Sourcegebiete 15 und die Bodygebiete 14 der einzelnen Bauelementzellen sind elektrisch leitend mit einer zweiten Elektrode 32 verbunden. Die zweite Elektrode 32 ist dielektrisch gegenüber der Gateelektrode 21 durch ein Isolationsmaterial 23 isoliert und bildet einen Emitteranschluss (Sourceanschluss) E des Halbleiterbauelements (des IGBTs) oder ist elektrisch leitend mit dem Emitteranschluss E verbunden. Die Gateelektroden 21 der einzelnen Bauelementzellen sind elektrisch leitend mit einem Gateanschluss G verbunden (in 1 nur schematisch dargestellt).
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Gateelektroden 21 der einzelnen Bauelementzellen planare Elektroden, die oberhalb der ersten Oberfläche 101 angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel können sich die einzelnen Bauelementzellen eine planare Elektrode teilen, die Öffnungen aufweist, in denen die zweite Elektrode 32 elektrisch leitend mit den Source- und Bodygebieten 14,15 der einzelnen Bauelementzellen verbunden ist.
  • Die ersten und zweiten Emittergebiete 12, 13, das Driftgebiet 11, die Bauelementzellen mit den Bodygebieten 14, den Sourcegebieten 15 und den Gateelektroden 21 bilden einen IGBT, genauer einen rückwärts leitenden (engl.: reverse conducting, RC) IGBT (RC-IGBT). Im Folgenden wird das grundlegende Funktionsprinzip eines RC-RGBT erklärt. Zu Erklärungszwecken wird angenommen, dass die Halbleitergebiete des ersten Leitfähigkeitstyps, wie das erste Emittergebiet 12 und die Bodygebiete 14 p-leitende Halbeitergebiete sind wogegen die Halbleitergebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps, wie das zweite Emittergebiet 13, das Driftgebiet 11 und die Sourcegebiete 15 n-leitende Halbleitergebiete sind. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Halbleitergebiete des ersten Leitfähigkeitstyps n-leitende Halbleitergebiete und die Halbleitergebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps p-leitende Halbleitergebiete.
  • Der RC-IGBT kann in einem vorwärts gepolten Betrieb (vorwärts gepolten Zustand) und in einem rückwärts gepolten Betrieb (rückwärts gepolten Zustand) betrieben werden. Der RC-IGBT ist in Durchlassrichtung vorgespannt, wenn eine Spannung zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen C, E angelegt wird, die den pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 14 und dem Driftgebiet 11 sperrt. Diese Spannung ist eine positive Spannung sofern das Driftgebiet 11 ein n-leitendes Gebiet und das Bodygebiet ein p-leitendes Gebiet ist. Im vorwärts gepolten Zustand kann der RC-IGBT durch Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials an den Gateanschluss G ein- und ausgeschaltet werden. Der RC-IGBT ist eingeschaltet wenn das an den Gateanschluss angelegte Ansteuerpotential die Ausbildung eines Inversionskanals in dem Bodygebiet 14 zwischen dem Sourcegebiet 15 und dem Driftgebiet 11 bewirkt. Im eingeschalteten Zustand injiziert das erste Emittergebiet 12 p-Ladungsträger (Löcher) in das Driftgebiet 11. Diese in das Driftgebiet 11 injizierten Ladungsträger bilden ein Ladungsträgerplasma, was zu einem niedrigen Widerstand des RC-IGBT im eingeschalteten Zustand führt.
  • Wenn der RC-IGBT vorwärts gepolt ist und der leitende Kanal im Bodygebiet 14 unterbrochen ist, befindet sich der RC-IGBT im ausgeschalteten Zustand. Im ausgeschalteten Zustand sorgt die zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen C, E angelegte Spannung für die Ausbreitung eines Verarmungsgebiets (Raumladungszone) in dem Driftgebiet 11 ausgehend von dem pn-Übergang zwischen dem Driftgebiet 11 und den Bodygebieten der einzelnen Bauelementzellen. Die Spannungsfestigkeit des RC-IGBT entspricht der maximalen Spannung, die der RC-IGBT aushalten kann, bevor ein Lawinendurchbruch stattfindet. Die Spannungsfestigkeit hängt u.a. von der Dotierungskonzentration des Driftgebiets 11 und der Länge des Driftgebiets 11 in vertikaler Richtung ab, die der kürzesten Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Emittergebiet 12, 13 entspricht. In einem Ausführungsbeispiel kann die Länge des Driftgebiets 11 auch bis zum Beginn oder Ende im Verlauf des Feldstoppgebiets 17 definiert werden.
  • Im rückwärts gepolten Betrieb, polt eine zwischen den Kollektor- und den Emitteranschlüssen C, E angelegte Spannung den pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 14 und dem Driftgebiet 11 in Durchlassrichtung. In dieser Betriebsart bilden die Bodygebiete 14, das Driftgebiet 11 und die zweiten Emittergebiete 13 eine Diode, die auch dann noch Strom leitet, wenn der Kanal in dem Bodygebiet 14 zwischen dem Sourcegebiet 15 und dem Driftgebiet 11 unterbrochen ist. Das Schaltsymbol dieser Diode ist in 1 schematisch dargestellt. Diese Diode wird im Folgenden als Bodydiode oder Rückwärtsdiode bezeichnet.
  • Der RC-IGBT aus 1 kann als elektronischer Schalter verwendet werden, der es ermöglicht einen Strom ein- und auszuschalten, der in eine erste Richtung fließt, wenn der RC-IGBT vorwärts gepolt ist, wogegen durch den RC-IGBT stets ein Strom in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, fließt, wenn der RC-IGBT rückwärts gepolt ist. Es gibt eine große Anzahl an Einsatzmöglichkeiten in Schaltungen, in denen ein Halbleiterschalter mit dieser Eigenschaft erwünscht ist.
  • Im rückwärts gepolten Zustand des RC-IGBT werden p-Typ-Ladungsträger (Löcher) von den Bodygebieten 14 in das Driftgebiet 11 injiziert, wogegen n-Ladungsträger (Elektronen) von dem zweiten Emittergebiet in das Driftgebiet 11 injiziert werden. Diese Ladungsträger bilden ein Ladungsträgerplasma in dem Driftgebiet 11. Wenn der RC-IGBT vom rückwärts gepolten Zustand in den ausgeschalteten Zustand des vorwärts gepolten Zustands kommutiert wird, muss das Ladungsträgerplasma aus dem Driftgebiet 11 entfernt werden, bevor der RC-IGBT sperrt. Anders gesagt, kann der RC-IGBT weiterhin solange einen Strom leiten, nachdem er in vorwärts Richtung gepolt wurde, bis das Ladungsträgerplasma aus dem Driftgebiet 11 entfernt wird. Das Entfernen des Ladungsträgerplasmas aus dem Driftgebiet 11 des RC-IGBT ist unter der Bezeichnung Reverse-Recovery bekannt. Verluste, die dabei auftreten können, bezeichnet man als Reverse-Recovery-Verluste.
  • Die Reverse-Recovery-Verluste, die in dem Zellengebiet 110 des RC-IGBT auftreten, können dadurch reduziert werden, dass der Gateanschluss G derart angesteuert wird, dass sich ein leitender Kanal in dem Bodygebiet 14 zwischen dem Sourcegebiet 15 und dem Driftgebiet 11 ausbildet, bevor der RC-IGBT vorwärts gepolt wird. Sobald der leitende Kanal geöffnet ist, können Elektronen die Bodygebiete 14 umgehen, wodurch die Injektion von Löchern in das Driftgebiet 11 reduziert wird. Damit wird die Konzentration von verbleibenden Ladungsträgern im Driftgebiet 11 reduziert. Auf diese Art schaltet der RC-IGBT im rückwärts gepolten Zustand von einer bipolaren Betriebsart, bei der sowohl Elektronen als auch Löcher in das Driftgebiet 11 injiziert werden, in eine Betriebsart, bei der nur eine geringe Konzentration von Löchern in das Driftgebiet 11 injiziert werden, oder gar in eine Betriebsart, bei der nur Elektronen in das Driftgebiet 11 injiziert werden oder sich durch das Driftgebiet 11 bewegen.
  • Diese Betriebsarten, bei denen nur eine geringe Konzentration an Löchern injiziert wird, oder bei denen nur Elektronen injiziert werden, werden nachfolgend als „unipolare Betriebsart“ oder „rückwärts gepolte unipolare Betriebsart“ bezeichnet. Kurz bevor der RC-IGBT vom der rückwärts gepolten unipolaren Betriebsart in den ausgeschalteten Zustand der vorwärts gepolten Betriebsart wechselt, wird der Gateanschluss G derart angesteuert, dass der leitende Kanal unterbrochen wird, damit ein Kurzschluss verhindert wird, der auftritt, wenn z.B. der RC-IGBT in einer Halbbrückenkonfiguration genutzt und von einem anderem Leistungsschalter, z.B. einem anderem RC-IGBT, kommutiert wird. Wenn von der rückwärts gepolten unipolaren Betriebsart in den ausgeschalteten Zustand gewechselt wird, müssen wesentlich weniger Ladungsträger aus dem Driftgebiet 11 entfernt werden bevor das Halbleiterbauelement sperrt, als in dem Fall, in dem der RC-IGBT von der rückwärts gepolten bipolaren Betriebsart in den ausgeschalteten Zustand wechseln würde. Daher werden Reverse-Recovery-Verluste reduziert wenn das Bauelement derart betrieben wird, dass es von der rückwärts gepolten unipolaren Betriebsart in den ausgeschalteten Zustand schaltet.
  • Neben den Bodygebieten 14, die mit der zweiten Elektrode 32 verbunden sind, kann das Halbleiterbauelement ein oder mehrere dotierte Halbleiterbauelementgebiete 40 des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen, die entweder mit der zweiten Elektrode 32 oder dem Emitteranschluss E (wie in 1 dargestellt) verbunden sind oder floatend sind. Das Halbleiterbauelementgebiet 40 ist kein aktives Bauelementgebiet, insbesondere kein Bodygebiet, und wird nachfolgend als parasitäres Gebiet 40 bezeichnet. Es gibt mehrere Gründe solch ein parasitäres Gebiet 40 bereitzustellen, wobei einige dieser Gründe anhand von Beispielen nachfolgend erläutert werden.
  • Das parasitäre Gebiet 40 befindet sich außerhalb des Zellengebiets 110 und ist zumindest von den Bodygebieten 14 solcher Bauelementzellen beabstandet, die keine Randbauelementzellen sind. Diese Randbauelementzellen sind diejenigen Bauelementzellen, die entlang eines Randes des Zellengebietes 110 angeordnet sind. Gemäß eines Ausführungsbeispiels ist das parasitäre Gebiet 40 auch von den Zellgebieten entlang eines Randes des Zellengebiets 110 (in 1 als durchgezogene Linien dargestellt) beabstandet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel grenzt das parasitäre Gebiet 40 an das Bodygebiet 14 von zumindest einem Randbauelementzellengebiets an (in 1 als gestrichelte Linie dargestellt).
  • Das Driftgebiet 11 hat eine Länge in Stromflussrichtung. Die Stromflussrichtung ist die Richtung, entlang derer sich die Ladungsträger durch das Driftgebiet 11 bewegen, wenn sich das Halbleiterbauelement im eingeschalteten Zustand befindet. Bei dem Halbleiterbauelement gemäß 1 korrespondiert die Stromflussrichtung mit der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100. In einem Ausführungsbeispiel ist das zweite Emittergebiet 13 von wenigstens einem parasitären Gebiet 40 in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung beabstandet, was im Ausführungsbeispiel von 1 der lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 entspricht. In einem Ausführungsbeispiel ist der Abstand mindestens das 1-fache der Länge des Driftgebiets 11, das 1,5-fache der Länge des Driftgebiets 11, das 2-fache der Länge des Driftgebiets 11 oder mehr.
  • Das parasitäre Gebiet 40 bildet zusammen mit dem Driftgebiet 11 und dem zweiten Emittergebiet 12 eine weitere Diode zwischen den Emitter- und Kollektoranschlüssen C, E. Ein Schaltsymbol dieser Diode ist ebenfalls in 1 dargestellt. Wenn sich der RC-IGBT im rückwärts gepolten Zustand befindet, ist diese Diode wie die Dioden, die von dem zweiten Emittergebiet 13, dem Driftgebiet 11 und den Bodygebieten 14 gebildet werden, vorwärts gepolt, sodass p-Ladungsträger (Löcher) in das Driftgebiet 11 von dem parasitären Gebiet 40 injiziert werden. Im Gegensatz zu den Bodygebieten 14 kann die Emission von Löchern durch das parasitäre Gebiet 40 in das Driftgebiet 11 nicht dadurch verringert oder unterdrückt werden, dass sich ein leitender Kanal in dem Bodygebiet 14 zwischen dem Sourcegebiet 15 und dem Driftgebiet 11 ausbildet, sodass Reverse-Recovery-Verluste, die in dieser weiteren Diode auftreten, nicht auf die gleiche Art und Weise reduziert werden können wie die Reverse-Recovery-Verluste, die in den Bodydioden auftreten, die durch die zweiten Emittergebiete 13, das Driftgebiet 11 und die Bodygebiete 14 gebildet werden. Ein ähnlicher Effekt tritt auf wenn das parasitäre Gebiet floatend ist. In diesem Fall ist das parasitäre Gebiet 40 an das Bodygebiet 14 durch einen Abschnitt des Driftgebiets 11 gekoppelt und kann einen Strom vom Bodygebiet 14 aufnehmen, was zur Injektion von Ladungsträgern von dem parasitären Gebiet 40 in das Driftgebiet 11 führt.
  • Um Reverse-Recovery-Verluste zu reduzieren, die auftreten können wenn Ladungsträger von dem parasitären Gebiet 40 in das Driftgebiet 11 injiziert werden, umfasst das parasitäre Gebiet 40 oder zumindest ein Teil des parasitären Gebiets 40 Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel, die die Ladungsträgerlebensdauer von Elektronen und Löchern in dem parasitären Gebiet 40 reduzieren. Wenn sich der RC-IGBT im rückwärts gepolten Zustand befindet, wirkt das parasitäre Gebiet 40 als ein Emitter, der p-Ladungsträger in das Driftgebiet 11 injiziert. Die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel reduzieren die Effizienz dieses Emitters, sodass die Injektion von Ladungsträgern in das Driftgebiet 11 reduziert wird. Somit ist die Konzentration der Ladungsträger in dem aus dem parasitären Gebiet 40 resultierenden Ladungsträgerplasma reduziert, sodass Reverse-Recovery-Verluste reduziert werden wenn der RC-IGBT von dem rückwärts gepolten Zustand in den vorwärts gepolten Zustand schaltet.
  • Unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmitteln sind in den 2 bis 4 erklärt. Diese Figuren erläutern jeweils eine vertikale Querschnittansicht eines parasitären Gebiets 40. Die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel, die anhand einer der 2 bis 4 erklärt werden, können mit einem oder mehreren Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel kombiniert werden, die anhand der anderen Figuren erklärt werden. Die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel können derart ausgebildet sein, dass die Ladungsträgerlebensdauer in den Abschnitten, in denen die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel implementiert sind, zumindest geringer als 100ns, geringer als 10% der Ladungsträgerlebensdauer im Driftgebiet 11 oder geringer als im Bodygebiet 14 ist.
  • Die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel können über das gesamte parasitäre Gebiet 40 verteilt sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel nur in einem Abschnitt des parasitären Gebiets 40 enthalten, das vom Driftgebiet 11 beabstandet ist und, wenn das parasitäre Gebiet 40 an das Bodygebiet 14 angrenzt, von dem Bodygebiet 14 beabstandet ist.
  • Bezugnehmend auf 2 können die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel Rekombinationszentren 41 umfassen, die durch Bestrahlung des parasitären Gebiets 40 mit Teilchen erzeugt werden. Diese Teilchen können nichtdotierende Teilchen wie Heliumionen, Argonatome, andere Edelgasatome, Kohlenstoffatome, Halbleiteratome wie Siliziumatome, Sauerstoffatome oder Elektronen o.ä. sein. Es ist jedoch auch möglich dotierende Teilchen zu implantieren wie p- oder n-dotierende Teilchen, die nicht oder nur zu einem geringen Teil aktiviert werden. Des Weiteren können auch Protonen implantiert werden. Das Bestrahlen des parasitären Gebiets 40 erzeugt Kristalldefekte oder Defektkomplexe, die als Rekombinationszentren wirken. Diese Kristalldefekte oder Defektkomplexe enthalten z.B. Doppelleerstellen und A-Zentren.
  • An den Rekombinationszentren 41 können p-Ladungsträger (Löcher) mit Elektronen rekombinieren, wodurch die Ladungsträgerlebensdauer in dem parasitären Gebiet 40 reduziert wird. Die Herstellung der Rekombinationszentren 41 kann das Implantieren der Teilchen durch die erste Oberfläche 101 in das parasitäre Gebiet umfassen. Das Implantieren der Teilchen kann die Verwendung einer Maske 200 umfassen, die auf der ersten Oberfläche 101 angeordnet ist. Die Maske 200 hat eine Öffnung über dem parasitären Gebiet 40 sodass die Maske 200 das Implantieren von Teilchen in andere Gebiete neben dem parasitären Gebiet 40 verhindern kann.
  • Die Herstellung der Rekombinationszentren 41 kann zudem einen Temperaturprozess umfassen, bei dem zumindest das parasitäre Gebiet 40 auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der die Kristalldefekte stabilisiert werden. Die Temperatur eines solchen Ausheilungsprozesses beträgt beispielsweise zwischen 220°C und 450°C, die Dauer eines solchen Ausheilungsprozesses beispielsweise zwischen einigen Sekunden und einigen Stunden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Dotierteilchen mit einem dem des parasitären Gebiets 40 komplementären Dotierungstyp implementiert. Diese Dotierteilchen reduzieren die effektive Dotierkonzentration des parasitären Gebiets 40, reduzieren aber durch die erhöhte Anzahl von Dotieratomen und verbleibenden Kristalldefekten im parasitären Gebiet 40 die Ladungsträgerlebensdauer.
  • Die vertikale Position der Rekombinationszentren 41 (entsprechend dem Abstand zwischen den Kristalldefekten 41 und der ersten Oberfläche 101) kann durch die Implantationsenergie, mit der die Teilchen implantiert werden, eingestellt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel nutzt der Implantationsprozess mehrere unterschiedliche Implantationsenergien um Rekombinationszentren 41 an unterschiedlichen vertikalen Positionen zu erzeugen.
  • Die Geometrie und die Art der Maske 200 kann variieren je nachdem welcher Typ von Teilchen implantiert wird. Werden beispielsweise Elektronen implantiert, kann die Maske 200 sogar das parasitäre Gebiet bedecken, dort jedoch eine geringere Dicke aufweisen, sodass die Elektronen durch die Maske 200 in das parasitäre Gebiet 40 gelangen können, wogegen über anderen Gebieten die Maske 200 eine größere Dicke aufweist, sodass die Elektronen durch die Maske 200 nicht in diese Gebiete gelangen können.
  • Alternativ oder zusätzlich zu Rekombinationszentren 41, die Kristalldefekte enthalten, können auch Rekombinationszentren 41 im parasitären Gebiet 40 vorhanden sein, die Schwermetallatome enthalten. Diese Schwermetallatome wirken ebenfalls als Rekombinationszentren 41 und helfen deshalb die Ladungsträgerlebensdauer im parasitären Gebiet 40 zu reduzieren. Geeignete Schwermetallatome sind z.B. Titan-, Molybdän-, Wolfram-, Gold-, Platin- oder Palladiumatome, oder ähnliche. Diese Atome können auf ähnliche Weise in das parasitäre Gebiet 40 implantiert werden wie die Teilchen, die Kristalldefekte bilden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 3 dargestellt ist, umfasst das parasitäre Gebiet 40 wenigstens einen Graben, der sich von der ersten Oberfläche 101 in das parasitäre Gebiet 40 erstreckt. Der wenigstens eine Graben ist mit einem Füllmaterial 42 gefüllt, das eine Grenzfläche mit dem umliegenden Halbleitermaterial des parasitären Gebiets 40 bildet. Das Füllmaterial 42 ist derart gewählt, dass p-Ladungsträger in dem parasitären Gebiet 40 effizient mit Elektronen an der Grenzfläche rekombinieren können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Füllmaterial 42 ein Oxid, wie beispielsweise ein Siliziumoxid (SiO2). In diesem Fall gibt es Kristalldefekte an der Grenzfläche zwischen dem Oxid und dem umliegenden Halbleitermaterial, die als Rekombinationszentren wirken. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Gräben mit einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise einem Metall oder einer Metall-Halbleiter-Legierung, wie z.B. Silizid, gefüllt, das einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitermaterial des parasitären Gebiets 40 bildet. Das Füllmaterial kann in diesem Fall beispielsweise ein Metall, wie z.B. Aluminium, Kupfer, Titan, Wolfram, Metalllegierungen, wie AlCu oder TiW, Metall-Silizium-Legierungen, wie AlSi oder AlSiCu, oder Silizide, wie CoSi2, HfSi2, MoSi2, PdSi2, PtSi, TaSi2, TiSi2, ZrSi2, NiSi2, enthalten. Das Füllmaterial 42 kann als erste Schicht eine Barriereschicht umfassen, die z.B. TiN oder TiW enthält.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Füllmaterial 42 ein Schwermetall, wie beispielsweise eines der Schwermetalle, die anhand von 2 erläutert wurden, und enthält Schwermetallatome in dem parasitären Gebiet 40, die aus dem Füllmaterial 42 in das parasitäre Gebiet 40 diffundieren. Die Bereitstellung der diffundierten Schwermetallatome kann einen Diffusionsprozess umfassen, bei dem die Atome aus dem Füllmaterial 42 in das umliegende Halbleitermaterial des parasitären Gebiets 40 diffundieren.
  • Wenn der RC-IGBT vorwärts gepolt und ausgeschaltet ist, sind die pn-Übergänge zwischen dem Driftgebiet 11 und den Bodygebieten 14, sowie die pn-Übergänge zwischen dem Driftgebiet 11 und dem parasitären Gebiet 40 rückwärts gepolt, wodurch Verarmung eintritt. Das Verarmungsgebiet tritt hauptsächlich in dem Driftgebiet 11 auf, das üblicherweise eine niedrigere Dotierkonzentration als die Bodygebiete 14 und das parasitäre Gebiet 40 aufweist. Jedoch tritt das Verarmungsgebiet auch in den Bodygebieten 14 und dem parasitären Gebiet 40 auf. Wie weit das Verarmungsgebiet von dem pn-Übergang in das parasitäre Gebiet 40 reicht, hängt von der Dotierkonzentration des parasitären Gebiets 40, von der Spannung, die zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen C, E angelegt wird, wenn der RC-IGBT im ausgeschalteten Zustand ist, und von der Verbindung zwischen dem parasitären Gebiet 40 und dem nächsten Bodygebiet 14 ab. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die vertikale Position der Rekombinationszentren 41 oder sind die Tiefen der Gräben mit dem Füllmaterial 42 so gewählt, dass das Verarmungsgebiet die Rekombinationszentren 41 oder das Füllmaterial 42 nicht erreicht, wenn eine der Spannungsfestigkeit des RC-IGBT entsprechende Spannung zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen C, E angelegt wird. Die Spannungsfestigkeit entspricht der maximalen Spannung, die zwischen die Kollektor- und Emitteranschlüsse angelegt werden kann, bevor ein Lawinendurchbruch einsetzt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 4 dargestellt ist, ist wenigstens ein Rekombinationsgebiet 43, das ein Rekombinationsmaterial aufweist, auf dem parasitären Gebiet 40 auf der ersten Oberfläche 101 angeordnet. Diese Rekombinationsgebiete 43 sind, wie die Füllmaterialgebiete 42 in 3, floatende Gebiete. Daher ist das Rekombinationsgebiet 43 elektrisch leitend mit dem parasitären Gebiet 40, jedoch nicht elektrisch leitend mit anderen Gebieten oder Anschlüssen des RC-IGBT verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein ohmscher Kontakt zwischen dem Rekombinationsgebiet 43 und dem parasitären Gebiet 40 angeordnet. Dieser ohmsche Kontakt ermöglicht eine effiziente Rekombination von p-Typ-Ladungsträgern 40 mit Elektronen an der Grenzfläche zwischen dem Rekombinationsgebiet 43 und dem parasitären Gebiet 40. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind zwei Kontaktgebiete 43 auf der ersten Oberfläche 101 angeordnet. Jedoch ist dies nur ein Beispiel, es kann eine beliebige Anzahl von Rekombinationsgebieten 43 auf der ersten Oberfläche 101 bereitgestellt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist wenigstens ein Kontaktgebiet in einem Graben in dem parasitären Gebiet 40 angeordnet, ähnlich zu den Gräben, die anhand von 3 erläutert wurden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Integral der Dotierungskonzentration des parasitären Gebiets 40 zwischen dem Rekombinationsgebiet 43 und dem Driftgebiet 11 mindestens 1·1012 (1E12) cm-2.
  • Das Rekombinationsgebiet 43 umfasst z.B. ein Metall, wie Aluminium, Kupfer, Metall-Legierungen, Metall-Siliziumlegierungen, wie AISi oder AlSiCu, oder Silizide, wie CoSi2, HfSi2, MoSi2, PdSi2, PtSi, TaSi2, TiSi2, ZrSi2, NiSi2. Das Rekombinationsgebiet 43 kann mit den selben Prozessen hergestellt werden wie der elektrische Kontakt zwischen der zweiten Elektrode 32 und den Bodygebieten 14 und/oder dem parasitären Gebiet 40, mit dem Unterschied, dass zumindest ein Rekombinationsgebiet 43 nicht elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode 32 verbunden ist.
  • Wenn mehrere Rekombinationsgebiete 43 bereitgestellt werden, können diese mehreren Rekombinationsgebiete 43 elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Das ist schematisch mit gestrichelten Linien in 4 dargestellt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das nicht in 4 dargestellt ist, können die mehreren Rekombinationsgebiete 43 in oder auf den unterschiedlichen parasitären Gebieten 40 angeordnet sein, die nicht verbunden oder mittels der elektrisch leitend verbundenen Rekombinationsgebiete 43 verbunden sind.
  • Das parasitäre Gebiet 40 kann verschiedene Zwecke erfüllen, wovon einige anhand der 5 bis 12 erläutert werden.
  • 5 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines RC-IGBT, der eine Topologie aufweist, die bereits anhand von 1 erklärt wurde. Bei dem RC-IGBT gemäß 5 ist das parasitäre Gebiet 40 Teil einer Randabschlussstruktur. Die in 6 dargestellte horizontale Schnittansicht des RC-IGBT gemäß 5 zeigt, dass das parasitäre Gebiet ringförmig ausgestaltet sein kann und das Zellengebiet 100 (in 6 nur schematisch dargestellt) umschließen kann. Bezugnehmend auf 5 kann die Randabschlussstruktur zudem einen Feldplattenanordnung 50 mit wenigstens einer Feldplatte umfassen. Im Ausführungsbeispiel in 5 umfasst die Feldplattenanordnung 50 eine erste Feldplatte 51, die oberhalb einer ersten Oberfläche 101 angeordnet ist, mittels einer Isolationsschicht 56 dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert ist und elektrisch leitend mit einem Anschluss 55 für ein Referenzpotential verbunden ist. Der Anschluss 55 für das Referenzpotential kann entweder mit dem Emitteranschluss (Sourceanschluss) E oder mit dem Gateanschluss G verbunden sein. Diese Verbindungen sind jedoch nicht in 5 dargestellt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Anschluss für das Referenzpotential 55 nur mit dem parasitären Gebiet 40 verbunden. Der Feldelektrodenanordnung 50 gemäß 5 umfasst des Weiteren eine zweite Feldelektrode 52, die elektrisch leitend mit dem Halbleiterkörper nahe eines Rands des 103 des Halbleiterkörpers 100 verbunden ist. Der Rand 103 schließt den Halbleiterkörper 100 in horizontaler Richtung ab. Die zweite Feldelektrode 52 liegt näher an dem Rand 103 als die erste Feldelektrode 51 und ist mittels eines elektrischen Kontaktes 54 elektrisch leitend mit dem Halbleiterkörper 100 verbunden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist der elektrische Kontakt 54 mit einem Kontaktgebiet 53 verbunden, das an die erste Oberfläche 101 angrenzt. Das Kontaktgebiet 53 ist ein Halbleitergebiet entweder des ersten oder des zweiten Leitfähigkeitstyps und besitzt eine höhere Dotierkonzentration als das Driftgebiet 11. Die Feldelektrodenanordnung 50, die in 6 nicht dargestellt ist, kann wie das parasitäre Gebiet ringförmig ausgestaltet sein und das Zellengebiet 110 mit den einzelnen Transistorzellen umschließen.
  • Anstatt einer Feldplattenanordnung, die beispielsweise in den 5 und 9 dargestellt ist, kann die Randabschlussstruktur andere dem Fachmann bekannte Randabschlussstrukturen umfassen (nicht dargestellt).
  • Die Geometrie (Form) der einzelnen Transistorzellen ist hauptsächlich durch die Form des Bodygebiets 14 festgelegt. In einem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Transistorzellen rechteckige Transistorzellen mit Bodygebieten 14, die eine rechteckige Form in der horizontalen Ebene besitzen. 7 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines RC-IGBTs gemäß 5, der rechteckige Transistorzellen aufweist. In der Schnittansicht in 7 ist ein Ausschnitt des Zellengebiets 110, des parasitären Gebiets 40 und des Feldplattenaufbaus 50 dargestellt. Die einzelnen Bodygebiete 14 in 7 können rechteckige Gebiete sein. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) können die Bodygebiete 14 hexagonale, elliptische, runde oder langgestreckte Gebiete sein, wobei es sogar möglich ist, Bodygebiete 14 mit unterschiedlichen Formen in ein Halbleiterbauelement zu integrieren.
  • Die Nutzung eines parasitären Gebiets 40, das Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel umfasst, ist nicht auf RC-IGBTs mit einer planaren Gateelektrode 21, wie anhand von 1 und 5 erläutert, beschränkt. 8 zeigt eine vertikale Querschnittansicht eines RC-IGBT gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Gateelektrode 21 eine Grabenelektrode und ist in einem Graben angeordnet, der sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstreckt. In der horizontalen Ebene kann die Gateelektrode 21 die Form eines rechteckigen oder hexagonalen Gitters haben, sodass die Bodygebiete 14 ebenfalls rechteckig oder hexagonal sind. Gemäß einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Gateelektrode 21 eine lang gestreckte Form, eine elliptische Form oder eine Kombination aus zwei oder mehr dieser Formen besitzen.
  • 9 zeigt eine vertikale Querschnittansicht eines RC-IGBT gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. 10 zeigt eine horizontale Querschnittansicht des RC-IGBT aus 9 im Zellengebiet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Gateelektrode 21 eine Grabenelektrode mit einer Vielzahl an ringförmigen Abschnitten, die alle das Bodygebiet 14 einer Transistorzelle umschließen. In dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ringförmigen Abschnitte der Gateelektrode 21 rechteckig. Jedoch ist das nur ein Beispiel; diese Abschnitte können auch hexagonal, rund, elliptisch, streifenförmig o.ä. sein. Zwischen den Gateelektrodenabschnitten 21 der einzelnen Transistorzellen sind floatende Hableitergebiete 16 des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet. Die Gateelektrodenabschnitte 21 der benachbarten Transistorzellen sind elektrisch leitend durch Leiter 24, die oberhalb der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet sind, verbunden. Bei dem Halbleiterbauelement in 9 ist das parasitäre Gebiet 40 wieder ein Teil der Randabschlussstruktur und ist bei diesem Ausführungsbeispiel elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode 32 verbunden.
  • 11 zeigt eine vertikale Querschnittansicht eines RC-IGBT gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Zellengebiet 110 dieses RC-IGBT entspricht dem Zellengebiet, das anhand von 9 erklärt wurde. In diesem Ausführungsbeispiel von 11 ist das parasitäre Gebiet 40 unterhalb eines Gatepads oder Gatevias 25 angeordnet. Das Gatepad oder Gatevia 25 ist elektrisch leitend mit dem Gateanschluss G mittels einer Elektrode 26 verbunden. Des Weiteren ist das Gatepad oder Gatevia 25 elektrisch leitend mit den Gateelektrodenabschnitten 21 der einzelnen Transistorzellen verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel gemäß 11 umfasst das Gatepad oder Gatevia 25 eine Öffnung, durch die die zweite Elektrode 32 in das parasitäre Gebiet 40 reicht. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Öffnung weggelassen, sodass das parasitäre Gebiet 40 floatend ist (in 11 mit gestrichelten Linien dargestellt).
  • In den Ausführungsbeispielen gemäß der 9 und 11, die floatende Gebiete 16 des ersten Leitfähigkeitstypen umfassen, können diese floatenden Gebiete 16 Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel umfassen. Diese Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel können den anhand der 2 bis 4 erläuterten Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmitteln entsprechen.
  • 12 zeigt eine horizontale Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines RC-IGBT gemäß der 9 und 11. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen Transistorzellen, die sich nahe dem Rand des Zellengebiets 110 befinden, ein Bodygebiet 14, jedoch kein Sourcegebiet 15. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen nur die Bauelementzellen, die an den Rand des Zellengebiets 110 angrenzen, kein Sourcegebiet 15. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können auch Bauelementgebiete, die vom Rand beabstandet sind, Bauelementzellen ohne Sourcegebiete 15 umfassen.
  • Die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel, die hierin zuvor beschrieben wurden, sind nicht darauf beschränkt, in Verbindung mit einem parasitären Gebiet, wie dem zuvor beschriebenen Bauelementgebiet 40, das außerhalb eines Zellengebiets eines IGBT angeordnet ist, implementiert zu werden, sondern können in jedes Gebiet eines Halbleiterbauelements implementiert werden, in dem es wünschenswert ist, die Ladungsträgerlebensdauer zu reduzieren, z.B. um Reverse-Recovery-Verluste zu senken.
  • 13 zeigt eine vertikale Querschnittansicht eines IGBT gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Wie bei den zuvor beschriebenen IGBTs, ist der in 13 dargestellte IGBT ein RC-IGBT, der ein Zellengebiet 110 mit einer Vielzahl von Bauelementzellen (Transistorzellen) aufweist, die zueinander parallel geschaltet sind. Die einzelnen Bauelementzellen, die in 13 dargestellt sind, sind planare Bauelementzellen. Das heißt, eine Gateelektrode 21 ist oberhalb einer ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet. Die Gateelektrode 21 grenzt an die Bodygebiete 14 der einzelnen Bauelementzellen an und ist dielektrisch gegenüber den Bodygebieten 14 mittels eines Gatedielektrikums 22 isoliert. Jedoch ist das Implementieren der Bauelementzellen als planare Zellen nur ein Beispiel. Die Bauelementzellen können mit anderen Arten von Bauelementzellentopologien implementiert werden, wie beispielsweise den in 8 dargestellten Grabenzellen. Die Details bezüglich eines Dotierungstype der einzelnen Bauelementgebiete und deren Dotierkonzentrationen, die hierin zuvor erläutert wurden, gelten auch für den in 13 dargestellten IGBT. Des Weiteren kann der in 13 dargestellte IGBT in den gleichen Betriebsarten (vorwärts gepolt und rückwärts gepolt) betrieben werden wie die IGBTs die hierin zuvor beschreiben wurden.
  • Ein Randgebiet des Halbleiterkörpers 100 umgibt das Zellengebiet 110, wobei in 13 nur ein Teil des Zellengebiets 110 und ein angrenzender Teil des Randgebiets dargestellt sind. Das Randgebiet kann eine konventionelle Randabschlussstruktur 60 umfassen, die nur schematisch in 13 dargestellt ist. Diese Randabschlussstruktur kann eine in 9 dargestellte Feldringplatte 50 und/oder andere Arten von Randabschlussstrukturen umfassen.
  • Bezugnehmend auf 13 umfasst der IGBT wenigstens ein dotiertes Gebiet 44 des ersten Leitfähigkeitstyps (Dotierungstyps), das den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweist wie die Bodygebiete 14. Dieses dotierte Gebiet 44 des ersten Leitfähigkeitstyps wird nachfolgend als Feldstoppgebiet bezeichnet. Das wenigstens eine Feldstoppgebiet 44 grenzt an das Driftgebiet 11 an und ist im Gebiet der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und kann an die erste Oberfläche 101 angrenzen (wie dargestellt). Das wenigstens eine Feldstoppgebiet 44 kann innerhalb des Zellengebiets, das zwischen den Bodygebieten zweier benachbarter Bauelementzellen angeordnet ist, oder außerhalb des Zellengebiets angeordnet sein. In 13 ist ein Feldstoppgebiet 44 innerhalb des Zellengebiets 110 und ein Feldstoppgebiet außerdem des Zellengebiets 110, was dem Gebiet zwischen dem Zellengebiet 110 und dem Randgebiet entspricht, dargestellt. Das zumindest eine Feldstoppgebiet 44 kann von den Bodygebieten 14 beabstandet sein (wie anhand von durchgezogenen Linien in 13 dargestellt) oder an die Bodygebiete 14 (wie anhand von gestrichelten Linien in 13 dargestellt) angrenzen.
  • Bezugnehmend auf 13 grenzt ein Rekombinationsgebiet 45 an das wenigstens eine Feldstoppgebiet an. Wie die Rekombinationsgebiete 42, 43, die hierin zuvor beschrieben wurden, ist das Rekombinationsgebiet 45 floatend. D.h. das Rekombinationsgebiet 45 ist elektrisch leitend mit dem Feldstoppgebiet 44 verbunden, jedoch nicht mit anderen Gebieten oder Anschlüssen des IGBT. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Rekombinationsgebiet 45 ein Metall, wie Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Wolfram (W), eine Metall-Legierung, wie AlCu, TiN oderTiW, oder eine Metall-Halbleiter-Legierung, wie AlSi oder AlSiCu. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Rekombinationsgebiet 45 eine Metall-Halbleiter-Verbindung. Der Halbleiterkörper 100 kann Silizium (Si) enthalten. In diesem Fall ist die Metall-Halbleiterlegierung ein Silizid, wie CoSi2, HfSi2, MoSi2, PdSi2, PtSi, TaSi2, TiSi2, ZrSi2, NiSi2, WSi2 oder ZrSi2. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält das Rekombinationsgebiet ein ternäres Karbid, ein Nitrid oder Kohlenstoff.
  • Bei dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rekombinationsgebiet 45 oberhalb der ersten Oberfläche 101 angeordnet. Das ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 14 dargestellt ist, erstreckt sich das Rekombinationsgebiet 45 in das Feldstoppgebiet 44, wobei in diesem Ausführungsbeispiel Abschnitte des Rekombinationsgebiets 45 unterhalb der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 (im Feldstoppgebiet 44) und andere Abschnitte des Rekombinationsgebiets oberhalb der ersten Oberfläche 101 angeordnet sind. Die in 14 gezeigte Topologie kann z.B. erhalten werden durch Abscheidung eines Metalls auf die erste Oberfläche 101 auf das Feldstoppgebiet 44, bevor die Isolationsschicht 23 hergestellt wird, und Erhitzen des Halbleiterkörpers 100 zumindest im Bereich der ersten Oberfläche 101, sodass das abgeschiedene Metall und das an das abgeschiedene Metall angrenzende Halbleitermaterial des Feldstoppgebiets chemisch miteinander reagieren und eine Metall-Halbleiter-Verbindung bilden (wie Silizid), die das Rekombinationsgebiet bildet. Aufgrund der Tatsache, dass dieser Prozess etwas Material des Feldstoppgebiets 44 „verbraucht“, reicht das Rekombinationsgebiet 45 in diesem Ausführungsbeispiel in das Feldstoppgebiet 44.
  • Ein Rekombinationsgebiet, das nicht in das Feldstoppgebiet 44 reicht, kann durch Abscheiden einer Halbleiterschicht auf das Feldstoppgebiet und Abscheiden des Metalls auf diese Halbleiterschicht erreicht werden. In diesem Fall wird Material von der Halbleiterschicht im Erhitzungsprozess „verbraucht“, das das Silizid ausbildet.
  • In jedem der Ausführungsbeispiele sind die Abschnitte des Rekombinationsgebiets 45, die oberhalb der ersten Oberfläche 101 angeordnet sind, elektrisch gegenüber elektrisch leitenden Gebieten, wie beispielsweise Source- und Gateelektroden 32, 21 durch eine Isolationsschicht 23 (dielektrische Schicht) isoliert. Diese Isolationsschicht 23 ist beispielsweise ein Oxid. Gemäß noch eines weiteren Ausführungsbeispiels (nicht dargestellt) ist das Rekombinationsgebiet vollständig in einem Graben des Feldstoppgebiets 44 angeordnet (ähnlich zu dem Füllmaterial 42, das in 3 dargestellt ist, das in Gräben des parasitären Gebiets 40 angeordnet ist).
  • Das Feldstoppgebiet 44 hat den gleichen Dotierungstyp wie die Bodygebiete 14 der Bauelementzellen. Gemäß eines Ausführungsbeispiels ist eine Dotierungskonzentration von wenigstens einem Feldstoppgebiet 44 so, dass ein Integral der Dotierkonzentration des Feldstoppgebiets 44 zwischen dem Rekombinationsgebiet 45 und dem Driftgebiet mindestens der Durchbruchsladung entspricht, sodass ein elektrisches Feld, das in dem Driftgebiet 11 auftritt, wenn der IGBT vorwärts gepolt und im ausgeschalteten Zustand ist, nicht durch das Rekombinationsgebiet durchgreifen kann. In einem Halbleiterkörper 100, der Silizium enthält, ist die Durchbruchsladung etwa zwischen 1·1012 (1E12) cm-2 und 3·1012 (1E12) cm-2.
  • Bezugnehmend auf die vorangehende Erläuterung, kann ein RC-IGBT in einem rückwärts leitenden Zustand betrieben werden, bei dem der pn-Übergang zwischen den Bodygebieten 14 und dem Driftgebiet 11 vorwärts gepolt ist, sodass sich ein Ladungsträgerplasma ausbildet, das p- und n-Ladungsträger in dem Driftgebiet 11 umfasst. Zur Erläuterung sei angenommen dass die Bodygebiete 14 p-dotiert und das Driftgebiet 11 und die zweiten Emittergebiete 13 n-dotiert sind. In diesem Fall injizieren die Bodygebiete 14 (die elektrisch leitend mit den Sourceelektroden 32 gekoppelt sind) p-Ladungsträger in das Driftgebiet 11 und die zweiten Emittergebiete 13 injizieren n-Ladungsträger in das Driftgebiet 11. Die Ladungsträger, die von den Bodygebieten 14 injiziert werden, sind Minoritätsladungsträger in dem Driftgebiet 11.
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel führt das wenigstens eine Feldstoppgebiet 44 des gleichen Dotiertyps wie die Bodygebiete 14 und das Rekombinationsgebiet 45, das an das Feldstoppgebiet 44 angrenzt, zu einer hohen Rekombinationsrate von mobilen p-Ladungsträgern (Löchern) und n-Ladungsträgern (Elektronen). Wenn der RC-IGBT rückwärts gepolt ist, wirken die Bodygebiete 14 und die zweiten Emittergebiete 13 als Emitter, die Ladungsträger in das Driftgebiet injizieren. Dadurch ist das Driftgebiet 11 mit Elektronen und Löchern überschwemmt, die im Wesentlichen in gleichen Konzentrationen auf Grund der elektrischen Neutralität vorhanden sind. Die Elektronen und Löcher diffundieren durch das Driftgebiet gemäß der sogenannten ambipolaren Diffusionslänge. Wenn Elektronen und Löcher schnell in dem Rekombinationsgebiet 45, das an das Feldstoppgebiet 45 angrenzt, rekombinieren, baut sich ein Ladungsträgerkonzentrationsgradient in dem Driftgebiet 11 auf, der Elektronen und Löcher durch Diffusion in die Rekombinationsgebiete 45 treibt. Dadurch wird die Gesamtmenge an Ladung, die in dem Driftgebiet 11 und damit im gesamten Halbleiterkörper 100 gespeichert ist, reduziert. Eine solche Reduzierung der Gesamtmenge an Ladung, die im Halbleiterkörper 100 gespeichert ist, insbesondere in dem Driftgebiet 11, hilft dabei, die Reverse-Recovery-Verluste, die auftreten, wenn der pn-Übergang (die Bodydiode) von einem vorwärts gepolten Zustand (wenn der IGBT rückwärts gepolt ist) in einen rückwärts gepolten Zustand (wenn der IGBT vorwärts gepolt ist) kommutiert wird, zu reduzieren.
  • Eine konventionelle Art die Anzahl von im Halbleiterkörper gespeicherten Ladungsträgern zu reduzieren, besteht darin, die Emittereffizienz der Bodygebiete 14 zu senken, z.B. durch Reduzieren von deren Dotierungskonzentration. Jedoch beeinträchtigt das die Schwellenspannung des IGBT. Bei dem IGBT gemäß 13 kann die Anzahl von im Halbleiterkörper gespeicherten Ladungsträgern, und damit eine effektive Emittereffizienz der Bodygebiete 14 größtenteils unabhängig von der Dotierungskonzentration eingestellt werden, indem Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel 44, 45 im Gebiet der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 bereitgestellt werden.
  • Die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel mit dem wenigstens einen Feldstoppgebiet 44 und einem Rekombinationsgebiet 45 sind nicht auf den Einsatz in einem RC-IGBT beschränkt, sondern können in jeder Art von Halbleiterbauelement eingesetzt werden, bei dem eine Reduzierung der Konzentration von Ladungsträgern in einem Driftgebiet wünschenswert ist. Weitere Beispiele von solchen Halbleiterbauelementen sind MOSFETs und Bipolardioden.
  • 15 zeigt eine vertikale Querschnittansicht eines MOSFET, der Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel mit wenigstens einem Feldstoppgebiet 44 und einem Rekombinationsgebiet 45 umfasst. Die Topologie des in 15 gezeigten MOSFET entspricht der Topologie des in 13 gezeigten IGBT, auf den hier Bezug genommen wird, mit dem Unterschied, dass der MOSFET ein Draingebiet 15 des gleichen Dotiertyps wie das Driftgebiet 11, das jedoch höher dotiert ist als das Driftgebiet 11, anstatt des ersten und zweiten Emitters 12, 13 umfasst. Die erste Elektrode 31, die elektrisch leitend mit dem Draingebiet 15 gekoppelt ist, bildet eine Drainelektrode 32, die zweite Elektrode 32, die elektrisch leitend mit den Source- und Bodygebieten 14, 15 der einzelnen Bauelementzellen gekoppelt ist, bildet eine Sourcelektrode.
  • Wie die hierin zuvor beschriebenen IGBTs, kann der MOSFET in einem vorwärts gepolten und rückwärts gepolten Zustand betrieben werden. Im vorwärts gepolten Zustand ist der pn-Übergang zwischen den Bodygebieten 14 und dem Driftgebiet 11 rückwärts gepolt. In diesem vorwärts gepolten Zustand, kann der MOSFET in einem ein- und ausgeschalteten Zustand betrieben werden, abhängig von dem Ansteuerpotential, das an den Gateanschluss angelegt wird. Im Gegensatz zu einem IGBT fließt nur ein Typ von Ladungsträgern in das Driftgebiet 11 des MOSFET im eingeschalteten Zustand. Diese Art von Ladungsträgern ist abhängig von dem Dotierungstyp des Sourcegebiets 15, des Driftgebiets 11 und des Draingebiets 15. Diese Bauelementgebiete haben einen Dotierungstyp, der komplementär ist zu dem der Bodygebiete 14, und sind n-dotiert in einem n-MOSFET und p-dotiert in einem p-MOSFET. Der MOSFET kann als Anreicherungs- (normal-aus) oder als Verarmungs-MOSFET (normalein) implementiert werden. In einem Anreicherungs-MOSFET grenzen die Bodygebiete 14 an das Gatedielektrikum 22 an, wogegen in einem Verarmungs-MOSFET ein Kanalgebiet (nicht in 15 dargestellt) des gleichen Dotiertyps wie das Sourcegebiet 15 zwischen dem Bodygebiet 14 und dem Gatedielektrikum 22 vorhanden ist, das von dem Sourcegebiet 14 entlang des Gatedielektrikums 22 in das Driftgebiet 11 reicht.
  • Bezugnehmend auf 15 umfasst der MOSFET optional ein weiteres Feldstoppgebiet desselben, Dotiertyps wie das Driftgebiet 11, das aber höher dotiert ist, zwischen dem Driftgebiet 11 und dem Draingebiet 15.
  • Bezugnehmend auf 15 umfasst der MOSFET optional wenigstens ein Kompensationsgebiet 18, das an das Driftgebiet 11 angrenzt. Das wenigstens eine Kompensationsgebiet 18 ist elektrisch leitend mit einem Source-Anschluss S gekoppelt und weist einen Dotierungstyp auf, der komplementär zu dem Dotierungstyp des Driftgebiets 11 ist. Jede Transistorzelle kann ein Kompensationsgebiet 18 umfassen. Die einzelnen Kompensationsgebiete 18 können mit dem Source-Anschluss S über die Bodygebiete 14 und die Sourceelektroden 32 gekoppelt sein (wie dargestellt). Die Kompensationsgebiete 18 erstrecken sich tiefer in das Driftgebiet 11 als die Bodygebiete 14 in Richtung des Draingebiets 15.
  • In herkömmlicher Weise dienen die Kompensationsgebiete 18 dazu, Dotierladungen in dem Driftgebiet 11 zu kompensieren, wenn der MOSFET im ausgeschalteten Zustand ist und der pn-Übergang zwischen den Bodygebieten 14 und dem Driftgebiet 11 rückwärts gepolt ist. D.h. die Kompensationsgebiete 18 liefern Ausgleichsladungen zu ionisierten Dotieratomen im Driftgebiet 11 wenn der pn-Übergang rückwärts gepolt ist und sich eine Raumladungszone (Verarmungsgebiet) im Driftgebiet 11 ausbreitet. Dieser Effekt ist bekannt weshalb keine weiteren Details dahingehend benötigt sind.
  • Die Dotierung der Kompensationsgebiete 18 und des Driftgebiets 11 können ausgeglichen sein. D.h. eine Gesamtdotierungsdosis in den Kompensationsgebieten 18 kann grundsätzlich einer Gesamtdotierdosis in dem Driftgebiet 11 entsprechen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu den Kompensationsgebieten 18 können Kompensationsstrukturen mit Feldelektroden (nicht dargestellt) verwendet werden. Diese Feldelektroden sind angrenzend an das Driftgebiet 11, dielektrisch gegenüber dem Driftgebiet 11 durch ein Feldelektrodendielektrikum isoliert und elektrisch leitend mit einem der Sourceanschlüsse S und Gateanschlüsse G gekoppelt. Solche Kompensationsstrukturen mit Feldelektroden sind bekannt weshalb keine weiteren Details dahingehend benötigt sind.
  • Im rückwärts gepolten Zustand entspricht die Funktionalität des in 15 dargestellten MOSFET der des zuvor beschriebenen IGBT. Im rückwärts gepolten Zustand ist der pn-Übergang zwischen den Bodygebieten 14 und dem Driftgebiet 11 vorwärts gepolt, sodass das Bodygebiet 14 Minoritätsladungsträger in das Driftgebiet 11 injiziert und das Draingebiet 15 Majoritätsladungsträger in das Driftgebiet 11 injiziert. In dieser Betriebsart helfen die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel mit wenigstens einem Feldstoppgebiet 44 und einem Rekombinationsgebiet 45 dabei, die Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern in einem Gebiet um die Bodygebiete 14 zu reduzieren und damit eine Emittereffizienz der Bodygebiete 14 zu reduzieren.
  • 16 zeigt eine vertikale Querschnittansicht einer Diode, die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel umfasst. Die in 16 dargestellte Diode ist als vertikale Diode implementiert und umfasst ein Driftgebiet 111 (Basisgebiet), zumindest ein erstes Emittergebiet 114, das einen pn-Übergang mit dem Driftgebiet 111 bildet und in einem Gebiet der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist, und ein zweites Emittergebiet 115. Das zweite Emittergebiet 115 ist von dem wenigstens einen ersten Emittergebiet 114 in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 beabstandet. Wie die Bodygebiete 14 des IGBT und des MOSFET, die zuvor bereits erklärt wurden, weist das wenigstens eine erste Emittergebiet 114 der Diode einen ersten Leitfähigkeitstypen (ersten Dotierungstype), das Driftgebiet 111 und das zweite Emittergebiet 115 weisen den zweiten Dotierungstyp auf.
  • Das zweite Emittergebiet 115 kann an das Driftgebiet 111 angrenzen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Feldstoppgebiet 116 (dargestellt durch gestrichelte Linien in 16) des zweiten Dotierungstyps zwischen dem Driftgebiet 111 und dem zweiten Emittergebiet 115 angeordnet.
  • Bezugnehmend auf 16 ist eine erste Elektrode 131 elektrisch leitend mit dem zweiten Emittergebiet 115 gekoppelt und bildet eine Kathode oder eine Anode, und eine zweite Elektrode 132 ist elektrisch leitend mit wenigstens einem ersten Emittergebiet 114 gekoppelt und bildet die andere der Kathode und Anode. Zur Erläuterung wird angenommen dass das wenigstens eine erste Emittergebiet p-dotiert und das zweite Emittergebiet 115 n-dotiert ist. In diesem Fall ist die erste Elektrode 131 eine Kathode und die zweite Elektrode 132 eine Anode.
  • Wie der in 13 gezeigte IGBT und der in 15 gezeigte MOSFET umfasst die Diode wenigstens ein Feldstoppgebiet 44 des ersten Dotierungstyps (komplementär zum Dotierungstyp des Driftgebiets 111) und ein Rekombinationsgebiet 45, das an das Feldstoppgebiet 44 angrenzt. Die Details betreffend das Feldstoppgebiet 44 und das Rekombinationsgebiet 45, die zuvor erläutert wurden, gelten für das Ausführungsbeispiel gemäß 16 ebenfalls.
  • Bezugnehmend auf 16 kann die Diode eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten ersten Emittergebieten 114 umfassen, die jeweils mit der zweiten Emitterelektrode 132 verbunden sind, die Bauelementzellen bilden. In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Feldstoppgebiet 44 im Zellengebiet 110 angeordnet sein mit dem ersten Emittergebiet 114 zwischen benachbarten ersten Emittergebieten 114. Die einzelnen ersten Emittergebiete 114 können Teil eines gitterähnlichen ersten Emittergebietes sein. Dies ist anhand von 19 unten erklärt.
  • Die in 16 gezeigte Diode kann durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen die ersten und zweiten Elektroden 131, 132 vorwärts und rückwärts gepolt werden. Im rückwärts gepolten Zustand der Diode ist der pn-Übergang zwischen dem wenigstens einen ersten Emittergebiet 114 und dem Driftgebiet 111 rückwärts gepolt (die Diode sperrt). Im vorwärts gepolten Zustand der Diode ist der pn-Übergang zwischen dem wenigstens einen ersten Emittergebiet 114 und dem Driftgebiet 111 vorwärts gepolt (die Diode leitet). Im vorwärts gepolten Zustand entspricht die Funktionalität der Diode der Funktionalität des in 13 dargestellten IGBT und der des in 15 dargestellten MOSFET wenn die Bodydiode vorwärts gepolt ist (wenn der pn-Übergang zwischen den Bodygebieten 14 und dem Driftgebiet vorwärts gepolt ist). In diesem Betriebszustand helfen die Ladungsträgerlebensdauerreduktionsmittel eine Emittereffizienz des zumindest einen ersten Emittergebiets 114 zu reduzieren (einzustellen).
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthalten die zweiten Elektroden 32 und 132 das gleiche Material wie das zumindest eine Rekombinationsgebiet 45. In diesem Fall können die zweite Elektrode 132 und das zumindest eine Rekombinationsgebiet 45 durch bekannte Prozessschritte hergestellt werden. Das wird unten im Bezug auf eine Diode erklärt. Dieses Konzept kann jedoch auch auf einen MOSFET und ebenfalls einen IGBT angewandt werden.
  • 17 veranschaulicht eine vertikale Querschnittansicht einer Diode, die eine zweite Elektrode und Rekombinationsgebiete 45 umfasst, die mit durch Prozessschritte hergestellt wurden. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Elektrode eine Vielzahl an Elektrodenabschnitten, die jeweils mit einem ersten Emittergebiet 114 verbunden und mit einem gemeinsamen Anschluss (dem Anodenanschluss im aktuellen Ausführungsbeispiel) elektrisch leitend verbunden sind. Die Rekombinationsgebiete 45 sind floatend. Das Herstellen der zweiten Elektrode 132 und der Rekombinationsgebiete 45 kann umfassen: Herstellen der Isolationsschicht 123 auf der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100; Herstellen von ersten Öffnungen in der Isolationsschicht 123 oberhalb der ersten Emittergebiete 114; Herstellen zweiter Öffnungen in der Isolationsschicht 123 oberhalb der Feldstoppgebiete 44; Abscheiden einer Metallschicht in die ersten und zweiten Öffnungen und auf die Isolationsschicht 123; Strukturieren der Metallschicht in einer Weise, dass diese Abschnitte der Metallschicht, die in den ersten Öffnungen angeordnet sind, getrennt sind, und Herstellen der zweiten Elektrode 132 aus den Abschnitten der Metallschicht, die in den zweiten Öffnungen angeordnet sind, und Herstellen der Rekombinationsgebiete 45. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wurden zumindest eine der ersten Emittergebiete 114 und der Feldstoppgebiete 44 nicht hergestellt als die Isolationsschicht aufgebracht wurde, sondern werden hergestellt durch das Einbringen von Dotieratomen in den Halbleiterkörper 100. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Halbleiterkörper 100 ausgeheizt nachdem die Metallschicht abgeschieden wurde, um eine Metall-Halbleiter-Verbindung (wie Silizid) als Rekombinationsgebiete 45 und die zweite Elektrode 132 auszubilden.
  • In der horizontalen Ebene sind unterschiedliche Topologien der Feldstoppgebiete 44 und der Rekombinationsgebiete 45 möglich, wobei diese Topologien insbesondere abhängig von der Topologie der Bodygebiete 14 und den ersten Emittergebieten 114 sind. Einige unterschiedliche Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der 18 bis 21 erläutert. Jede dieser Figuren zeigt eine horizontale Querschnittansicht des Halbleiterkörpers 100 in einem Gebiet unterhalb der ersten Oberfläche 101, wo die Feldstoppgebiete 44 und die Bodygebiete 14 und die ersten Emittergebiete 114 angeordnet sind. Die Position der Rekombinationsgebiete ist dargestellt in gestrichelten Linien in den 18 bis 21.
  • Bezugnehmend auf 18, können die Body- oder ersten Emittergebiete 14, 114 lang gestreckte Gebiete und die Feldstoppgebiete 44 (und die Rekombinationsgebiete 45) rechteckig sein. Anstatt rechteckig könnten die Feldstoppgebiete 44 (und die Rekombinationsgebiete 45) rund oder polygonal sein. Es ist sogar möglich Feldstoppgebiete 44 und Rekombinationsgebiete 45 mit unterschiedlichen Formen zu implementieren.
  • Bezugnehmend auf 19, können die Body- oder ersten Emittergebiete 14, 114 ein Teil eines dotierten Gebiets sein, das eine Gitterform aufweist. Die Feldstoppgebiete 44 können in Leerstellen des Gitters angeordnet sein und eine der Formen aufweisen, die in der Beschreibung zu 18 erwähnt sind. Das Gitter ist ein rechteckiges Gitter im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Jedoch sind auch andere Gittergeometrien möglich wie ein hexagonales Gitter, das ebenfalls verwendet werden kann.
  • Bezugnehmend auf 20, können die Body- oder ersten Emittergebiete 14, 114 und die Feldstoppgebiete 44 lang gestreckte Gebiete sein.
  • Bezugnehmend auf 21, kann das Feldstoppgebiet eine Gitterform aufweisen und die Body- oder ersten Emittergebiete 14, 114 können eine rechteckige, runde, oder jede andere polygonale Form aufweisen. Die Form der Rekombinationsgebiete 45 kann der Form der Feldstoppgebiete entsprechen oder unterschiedlich sein.
  • Selbstverständlich können Merkmale der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.

Claims (34)

  1. Halbleiterbauelement, das aufweist: ein Zellengebiet (110), das wenigstens eine Bauelementzelle aufweist, wobei die wenigstens eine Bauelementzelle ein erstes Bauelementgebiet (14) eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist; ein Driftgebiet (11) eines zweiten Leitfähigkeittyps, das an das erste Bauelementgebiet (14) der wenigstens einen Bauelementzelle angrenzt; ein dotiertes Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps, das an das Driftgebiet angrenzt und einen pn-Übergang mit dem Driftgebiet (11) bildet; und Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmittel (41; 42), die dazu ausgebildet sind, eine Ladungsträgerlebensdauer in dem dotierten Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps zu reduzieren, wobei eine Position der Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmittel (41; 42) in dem dotierten Gebiet (40; 44) des ersten Leitfähigkeitstyps so gewählt ist, dass ein von dem pn-Übergang ausgehendes Verarmungsgebiet die Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmittel (41; 42; 43; 44) nicht erreicht, wenn eine der Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements entsprechende Spannung an den pn-Übergang angelegt wird.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist: einen Halbleiterkörper (100), wobei das erste Bauelementgebiet (14) an eine erste Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers angrenzt, und wobei das dotierte Gebiet (40; 44) des ersten Leitfähigkeitstyps an die erste Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) angrenzt.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei die Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmittel ein Rekombinationsgebiet (42) aufweisen, das an das dotierte Gebiet (40; 44) des ersten Leitfähigkeitstyps angrenzt.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem das Rekombinationsgebiet teilweise oberhalb der ersten Oberfläche (101) angeordnet ist.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem das Rekombinationsgebiet (42) wenigstens ein Material aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus den folgenden besteht: ein Metall; eine Metall-Halbleiter-Verbindung; und eine Metall-Halbleiter-Legierung.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das dotierte Gebiet (40; 44) des ersten Leitfähigkeitstyps eine niedrigere Dotierungskonzentration als das erste Bauelement (14) aufweist.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das dotierte Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps (40; 44) an das erste Bauelementgebiet (14) angrenzt.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das dotierte Gebiet (40; 44) des ersten Leitfähigkeitstyps zu dem ersten Bauelementgebiet (14) beabstandet ist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das dotierte Gebiet (40; 44) des ersten Leitfähigkeitstyps in dem Zellengebiet (110) angeordnet ist.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das dotierte Gebiet (40; 44) des ersten Leitfähigkeitstyps außerhalb des Zellengebietes (110) angeordnet ist.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Bauelementgebiet (14) ein Bodygebiet eines MOSFET oder eines IGBT ist.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das erste Bauelementgebiet (14) ein Emittergebiet einer Diode ist.
  13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem das erste Bauelementgebiet (14) ein Bodygebiet ist, bei dem das dotierte Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps außerhalb des Zellengebiets (110) angeordnet ist, und bei dem das Halbleiterbauelement weiterhin aufweist: ein erstes Emittergebiet (12) eines ersten Leitfähigkeitstyps, ein zweites Emittergebiet (13) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das komplementär zu dem ersten Leitfähigkeitstyp ist, und eine erste Elektrode (31), wobei das erste Emittergebiet (12) in das zweite Emittergebiet (13) zwischen dem Driftgebiet (11) und der ersten Elektrode (31) angeordnet sind und jeweils an die erste Elektrode (31) angeschlossen sind; in wenigstens einer Bauelementzelle: ein Sourcegebiet (15) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das an das Bodygebiet (14) angrenzt, und eine Gateelektrode (21), die benachbart zu dem Bodygebiet (14) angeordnet ist und die durch ein Gatedielektrikum (22) dielektrisch von dem Bodygebiet (14) isoliert ist; eine zweite Elektrode (32), die elektrisch an das Sourcegebiet (15) und das Bodygebiet (14) der wenigstens einen Bauelementzelle angeschlossen ist.
  14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer in dem wenigstens einen Abschnitt des dotierten Gebietes des ersten Leitfähigkeitstyps (14) geringer ist als 100 ns.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer in dem wenigstens einen Abschnitt des dotierten Gebiets des ersten Leitfähigkeitstyps (40) geringer ist als 10% einer Ladungsträgerlebensdauer in dem Driftgebiet.
  16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, bei dem eine Ladungsträgerlebensdauer in dem wenigstens einen Abschnitt des dotierten Gebiets des ersten Leitfähigkeitstyps (40) geringer ist als in dem Bodygebiet (14) der wenigstens einen Bauelementzelle.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem der wenigstens eine Abschnitt mit Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmitteln in dem dotierten Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps (40) beabstandet ist zu dem Driftgebiet (11).
  18. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem das dotierte Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps elektrisch an die zweite Elektrode (32) angeschlossen ist.
  19. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem das dotierte Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps floatend ist.
  20. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 19, das weiterhin aufweist: eine Randabschlussstruktur; und wobei das dotierte Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps Teil der Randabschlussstruktur ist.
  21. Halbleiterbauelement nach Anspruch 20, bei dem das dotierte Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps (40) das Zellengebiet (110) umgibt.
  22. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 21, das weiterhin aufweist: einen Halbleiterkörper (100), in dem die ersten und zweiten Emittergebiete (12; 13), das Driftgebiet (11) und das Zellengebiet (110) angeordnet sind; ein Gatevia (25) oder eine Gatepad oberhalb des Halbleiterkörpers (100); und bei dem das dotierte Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps unterhalb des Gatevias (25) oder des Gatepads angeordnet sind.
  23. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 22, bei dem die Ladungsträgelebensdauerverringerungsmittel Rekombinationszentren (41) aufweisen.
  24. Halbleiterbauelement nach Anspruch 23, bei dem die Rekombinationszentren (41) Kristalldefekte aufweisen.
  25. Halbleiterbauelement nach Anspruch 24, bei dem die Kristalldefekte Defekte sind, die durch Implantieren von Partikeln in das dotierte Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps hervorgerufen sind.
  26. Halbleiterbauelement nach Anspruch 23, bei dem die Rekombinationszentren Schwermetallatome aufweisen.
  27. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 22, bei dem die Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmittel wenigstens ein Rekombinationsgebiet (42; 43) aufweisen.
  28. Halbleiterbauelement nach Anspruch 27, bei dem das wenigstens eine Rekombinationsgebiet (42; 43) in einem Graben in dem dotierten Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps oder oberhalb des dotierten Gebiets des ersten Leitfähigkeitstyps (40) angeordnet ist.
  29. Halbleiterbauelement nach Anspruch 28, bei dem das Rekombinationsgebiet ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
  30. Halbleiterbauelement nach Anspruch 29, bei dem das elektrisch leitfähige Material wenigstens eines von einem Metall und einer Metall-Halbleiter-Legierung aufweist.
  31. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30, bei dem das elektrisch leitfähige Material wenigstens eines der folgenden aufweist: Aluminium, Kupfer, eine Metalllegierung, eine Metall-Silizium-Legierung, ein Silizid.
  32. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 22, bei dem die Ladungsträgerlebensdauerverringerungsmittel wenigstens einen Graben in dem dotierten Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps aufweisen, der mit einem Dielektrikum aufgefüllt ist.
  33. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 32, das weiterhin aufweist: mehrere Bauelementzellen in dem Zellengebiet (110); ein Randgebiet des Zellengebietes; und wobei die Bauelementzellen entlang des Randgebiets des Zellengebietes kein Sourcegebiet aufweisen.
  34. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13; bei dem eine Länge des Driftgebiets (11) eine Länge in einer Stromflussrichtung ist, wobei die Stromflussrichtung eine Richtung ist, in der Ladungsträger durch das Driftgebiet fließen, wenn das Halbleiterbauelement in einem Ein-Zustand ist, und bei dem ein Abstand zwischen dem wenigstens einen dotierten Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps und des zweiten Emittergebiets (13) in einer Richtung senkrecht zu der Stromflussrichtung der wenigstens einen Länge des Driftgebiets (11) entspricht.
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