DE102013211717A1 - Rückwärts leitender IGBT - Google Patents

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Anton Mauder
Frank Pfirsch
Carsten Schaeffer
Dorothea Werber
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Ein Halbleiterbauelement umfasst ein erstes Emittergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, ein zweites Emittergebiet eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp komplementären zweiten Leitfähigkeitstyps und ein Driftgebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, die in einem Halbleiterkörper angeordnet sind. Die ersten und zweiten Emittergebiete sind zwischen dem Driftgebiet und einer ersten Elektrode angeordnet und sind jeweils an die erste Elektrode angeschlossen. Eine Bauelementzelle eines Zellengebiets umfasst ein Bodygebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das an das Driftgebiet angrenzt, ein Sourcegebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, das an das Bodygebiet angrenzt und eine Gateelektrode benachbart zu dem Bodygebiet und durch ein Gatedielektrikum dielektrisch gegenüber dem Bodygebiet isoliert. Eine zweite Elektrode ist elektrisch an das Sourcegebiet und das Bodygebiet angeschlossen. Ein floatendes parasitäres Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps ist außerhalb des Zellengebiets angeordnet.

Description

  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) und insbesondere einen rückwärts leitenden (engl: reverse conducting) IGBT (RC-IGBT).
  • 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 rückwärts gepolt ist, und kann in einem rückwärts gepolten Zustand betrieben werden, dies ist, wenn der pn-Übergang vorwärts 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 – das ist, wenn die Bodydiode leitet – in den vorwärts gepolten Zustand leitet – das ist, wenn die Bodydiode in Rückwärtsrichtung gepolt ist – schaltet. Es ist grundsätzlich wünschenswert, solche Reverse-Recovery-Verluste zu reduzieren.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel betrifft ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement umfasst ein erstes Emittergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, ein zweites Emittergebiet eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp komplementären zweiten Leitfähigkeitstyps und ein Driftgebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, die in einem Halbleiterkörper angeordnet sind. Das Halbleiterbauelement umfasst außerdem eine erste Elektrode, wobei das erste Emittergebiet und das zweite Emittergebiet zwischen dem Driftgebiet und der ersten Elektrode angeordnet sind und jeweils an die erste Elektrode angeschlossen sind. Ein Zellengebiet umfasst wenigstens eine Bauelementzelle, die wenigstens eine Bauelementzelle umfasst ein Bodygebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das an das Driftgebiet angrenzt, ein Sourcegebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, das an das Bodygebiet angrenzt, und eine Gateelektrode benachbart zu dem Bodygebiet und durch ein Gatedielektrikum dielektrisch von dem Bodygebiet isoliert. Eine zweite Elektrode ist elektrisch an das Sourcegebiet und das Bodygebiet der wenigstens einen Bauelementzelle angeschlossen. Das Halbleiterbauelement umfasst außerdem ein erstes parasitäres Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das außerhalb des Zellengebiets angeordnet ist, wobei das wenigstens eine parasitäre Gebiet floatend ist.
  • 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 vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit ersten und zweiten Emittergebieten, einem Driftgebiet, Bauelementzellen und wenigstens einem parasitären Gebiet gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 2 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 3 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements gemäß 2.
  • 4 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines Zellengebiets des Halbleiterbauelements gemäß 2.
  • 5 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • 6 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • 7 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht einer Bauelementzelle des Halbleiterbauelements gemäß 6.
  • 8 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 9 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
  • 10 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
  • 11 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel.
  • 12 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem achten Ausführungsbeispiel.
  • 13 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel.
  • 14 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 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), oder ähnliches,. 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 Dotierungskonzentrationen des ersten und zweiten Emittergebiets 12, 13 liegen beispielsweise zwischen 1016 (1E16) cm–3 und 1021 (1E21) cm–3.
  • Bezugnehmend auf 1 umfasst das Halbleiterbauelement zudem ein Zellengebiet 110 mit wenigstens einer Bauelementzelle oder Transistorzelle. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel 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 wird. 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, sodass 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 individuellen 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.
  • Das erste und zweite Emittergebiet 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 Zwecken der Erläuterung sei 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. Diese 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 im vorwärts gepolten Zustand, wenn eine Spannung zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen C, E angelegt wird, die den pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 14 und dem Driftgebiet 11 rückwärts polt. Diese Spannung ist eine positive Spannung, wenn 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 ab, die der kürzesten Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Emittergebiet 12, 13 bzw. dem Feldstoppgebiet 17 entspricht.
  • Im rückwärts gepolten Zustand, 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-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 geschaltet 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 leitenden Kanal in dem Bodybereich 14 zwischen dem Sourcebereich 15 und dem Driftbereich 11 ausbildet, bevor der RC-IGBT vorwärts gepolt wird. Sobald der leitenden Kanal geöffnet ist, können Elektronen die Bodybereiche 14 umgehen, wodurch die Injektion von Löchern in den Driftbereich 11 reduziert wird. Damit wird die Konzentration von verbleibenden Ladungsträgern in dem Driftbereich 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. 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 von der rückwärts gepolten unipolaren Betriebsart in den ausgeschalteten Zustand der vorwärts gepolten Betriebsart wechselt, wird der Gateanschluss G derart angesteuert, dass der leitenden Kanal unterbrochen wird, damit ein Kurzschluss verhindert wird, der auftritt, wenn der RC-IGBT beispielsweise in einer Halbbrückenkonfiguration genutzt 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 zumindest ein Halbleiterbauelementgebiet 40 aufweisen, das floatend ist. Das Halbleiterbauelementgebiet 40 ist kein aktives Bauelementgebiet, insbesondere keines der Bodygebiete, und wird nachfolgend als parasitäres Gebiet 40 bezeichnet. Es gibt mehrere Gründe ein solches parasitäres Gebiet 40 bereitzustellen, wobei einige dieser Gründe nachfolgend anhand von Beispielen erläutert werden.
  • 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, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel 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.
  • 2 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines RC-IGBT, der eine Topologie aufweist, die bereits anhand von 1 erläutert wurde. Beim RC-IGBT gemäß 2 ist das parasitäre Gebiet 40 Teil einer Randabschlussstruktur. Die in 3 dargestellte horizontale Schnittansicht des RC-IGBT gemäß 2 zeigt, dass das parasitäre Gebiet ringförmig ausgestaltet sein kann und das Zellengebiet 100 (in 2 nur schematisch dargestellt) umschließen kann. Bezugnehmend auf 2 kann die Randabschlussstruktur zudem eine Feldplattenanordnung 50 mit zumindest einer Feldplatte umfassen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 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 2 dargestellt. Die Feldelektrodenanordnung 50 gemäß 2 umfasst des Weiteren eine zweite Feldelektrode 52, die elektrisch leitend mit dem Halbleiterkörper nahe eines Randes des 103 des Halbleiterkörpers 100 verbunden ist. Der Rand 103 schließt den Halbleiterkörper 100 in horizontaler Richtung ab. Die zweite Feldelektrode 52 liegt näher am Rand 103 als die erste Feldelektrode 51 und ist elektrisch leitend mit dem Halbleiterkörper 100 mittels eines elektrischen Kontaktes 54 verbunden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der elektrische Kontakt 54 mit einem Kontaktgebiet 53 verbunden, das an die erste Oberfläche 101 angrenzt. Das Kontaktgebiet 53 ist ein Halbleitergebiet des entweder ersten oder zweiten Leitfähigkeitstyps und besitzt eine höhere Dotierungskonzentration als das Driftgebiet 11. Die Feldelektrodenanordnung 50, die in 3 nicht dargestellt ist, kann wie das parasitäre Gebiet ringförmig ausgestaltet sein und das Zellengebiet 110 mit den einzelnen Transistorzellen umschließen.
  • Anstatt einer Feldplattenanordnung, die in 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. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines RC-IGBTs gemäß 2, der rechteckige Transistorzellen aufweist. In der Schnittansicht in 4 ist ein Ausschnitt des Zellengebiets 110 dargestellt. Die einzelnen Bodygebiete 14 gemäß 4 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.
  • Das Implementieren von parasitären Bauelementgebieten des ersten Leitfähigkeitstyps als floatende Gebiete ist nicht auf RC-IGBTs mit planarer Gateelektrode 21 beschränkt, wie sie anhand der 1 und 2 erläutert sind. 5 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines RC-IGBT anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Gateelektrode 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 eine rechteckige oder hexagonale Form aufweisen, sodass die Bodygebiete 14 demzufolge rechteckige oder hexagonale Halbleitergebiete sind.
  • 6 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines RC-IGBTs anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels. Der RC-IGBT umfasst ein Zellengebiet 110 mit einer Vielzahl an Bauelementzellen (Transistorzellen), die zueinander parallel geschaltet sind. 7 zeigt eine horizontale Schnittansicht einer Bauelementzelle eines Halbleiterbauelements aus 6.
  • Bezugnehmend auf die 6 und 7 umfasst die Gateelektrode 21 eine Vielzahl an ringförmigen Grabenelektrodenabschnitten, wobei jeder Grabenelektrodenabschnitt das Bodygebiet 14 einer Transistorzelle umschließt. Im Ausführungsbeispiel, das in 7 dargestellt ist, weist der ringförmige Gateelektrodenabschnitt 21 eine rechteckige Form auf. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Diese Abschnitte können auch hexagonale, runde, elliptische oder ähnliche Formen aufweisen. Zwischen den Gateelektrodenabschnitten 21 der einzelnen Transistorzellen sind floatende Hableitergebiete 16 des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet. Diese floatenden Halbleitergebiete 16 können zusammen ein gitterförmiges Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps bilden, in das die einzelnen Bauelementzellen eingebettet sind. 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 gemäß 6 ist das parasitäre Gebiet 40 wieder ein Teil der Randabschlussstruktur 50. Die erste Feldplatte 51 dieser Randabschlussstruktur 50 ist elektrisch leitend mit den Gateelektrodenabschnitten 21 oder den Leitern 24 der einzelnen Transistorzellen durch einen planaren Leiter 57, der oberhalb der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist, verbunden.
  • Bezugnehmend auf 8, die eine horizontale Schnittansicht des Halbleiterbauelements gemäß 6 zeigt, kann die Randabschlussstruktur 50 das Zellengebiet 110 mit den einzelnen Transistorzellen, die in 8 nur schematisch dargestellt sind, umschließen.
  • Bezugnehmend auf 6 kann die Randabschlussstruktur 50 ein weiteres parasitäres Gebiet 41 des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen. Das weitere parasitäre Gebiet 41 ist in horizontaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 von dem parasitären Gebiet 40 beabstandet und befindet sich zwischen dem parasitären Gebiet 40 und dem Zellengebiet 110. Im Folgenden wird das parasitäre Gebiet 40 als erstes parasitäres Gebiet 40 und das weitere parasitäre Gebiet 41 als zweites parasitäres Gebiet 41 bezeichnet. Das erste und das zweite parasitäre Gebiet 40, 41 können beide an die erste Oberfläche 101 angrenzen. Bezugnehmend auf 8 können das erste und das zweite parasitäre Gebiet 40, 41 ringförmig ausgebildet sein und das Zellengebiet 110 in der horizontalen Ebene umschließen. Zwischen dem ersten und dem zweiten parasitären Gebiet 40, 41 kann sich ein Abschnitt des Driftgebiets 11 zur ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers erstrecken.
  • Bezugnehmend auf 6 kann die Randabschlussstruktur 50 zudem eine erste und zweite Grabenelektrode 58, 59 umfassen, die elektrisch leitend mit dem planaren Leiter 57 verbunden sind. Die erste und zweite Grabenelektrode 58, 59 sind in Gräben abgeordnet, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Diese ersten und zweiten Grabenelektroden 58, 59 sind in lateraler Richtung des Hableiterkörpers 100 zueinander beabstandet. Des Weiteren können bezugnehmend auf 8 die erste und die zweite Grabenelektrode 58, 59 (gestrichelt dargestellt) das Zellengebiet 110 ähnlich wie die parasitären Gebiete 40, 41 umschließen. Eine jede der ersten und zweiten Grabenelektrode 58, 59 ist dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper 100 durch eine dielektrische Schicht 60 isoliert, die zudem den planaren Leiter 57 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert.
  • Die Tiefen der ersten und zweiten Grabenelektroden 58, 59 können den Tiefen der Gateelektroden 21 der einzelnen Transistorzellen entsprechen. Beim Halbleiterbauelement gemäß 6 grenzt das erste parasitäre Gebiet 40 an den Graben mit der ersten Grabenelektrode 58 und an die dielektrische Schicht 60 an, wogegen das zweite parasitäre Gebiet 41 an den Graben mit der zweiten Grabenelektrode 59 und der entsprechenden dielektrischen Schicht angrenzt. Das zweite parasitäre Gebiet 41 grenzt zudem an einen Graben mit der Gateelektrode 21 einer Randtransistorzelle an. Die Randtransistorzelle ist eine Transistorzelle am Rand des Zellengebiets 110. Zwischen der ersten und der zweiten Grabenelektrode 58, 59 erstreckt sich ein Abschnitt des Driftgebiets 11 in die erste Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist das zweite parasitäre Gebiet 41 elektrisch leitend mit dem floatenden Gebiet 16 in dem Zellengebiet 110 verbunden. Jedoch ist solch eine elektrische Verbindung nicht explizit in 6 dargestellt.
  • 9 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Halbleiterbauelements nach einem Ausführungsbeispiel. Das Halbleiterbauelement in 9 unterscheidet sich vom Halbleiterbauelement in 6 dadurch, dass das erste parasitäre Gebiet 40 im Halbleiterkörper 100 unterhalb eines Gatepads oder Gatevias 71 angeordnet ist. Das Gatepad oder Gatevia 71 ist oberhalb der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und von dem Zellengebiet 110 in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 10 beabstandet. Eine Gateanschlusselektrode 76 kann elektrisch leitend mit dem Gatepad oder Gatevia 71 verbunden sein. Die Gateanschlusselektrode 76 ist mit dem Gateanschluss G des Hableiterbauelements verbunden oder bildet diesen Gateanschluss.
  • Das Gatepad oder Gatevia 71 ist elektrisch leitend mit den Gateelektrodenabschnitten 21 der einzelnen Transistorzellen mittels eines planaren Leiters 72, der oberhalb der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper 100 mittels einer dielektrischen Schicht 77 isoliert ist, verbunden. Wie im Ausführungsbeispiel, das mit Bezug auf die 6 und 8 erläutert wurde, kann das erste parasitäre Gebiet 40 das Zellengebiet 110 in der horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers 100 umschließen. Des Weiteren kann das Halbleiterbauelement ein zweites parasitäres Gebiet 42 umfassen, das dem anhand von 6 erläuterten zweiten parasitären Gebiet 41 entspricht. Eine erste und zweite Grabenelektrode 73, 74 sind mit dem planaren Leiter 72 verbunden. Die erste und zweite Grabenelektrode 73, 74 können der ersten und zweiten Grabenelektrode 58, 59, die anhand von 6 erläutert wurden, entsprechen, sodass alles, was zu diesen Grabenelektroden 58, 59 erläutert wurde, auch für die Grabenelektroden 73, 74 gemäß 9 gilt.
  • Bezugnehmend auf 9 ist das Gatepad oder Gatevia 71 dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper 100 durch eine dielektrische Schicht 77 isoliert. Diese dielektrische Schicht 77 kann dicker sein als die dielektrische Schicht 75, die den planaren Leiter 72 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert. Mit anderen Worten, der planare Leiter 72 kann näher an der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 angeordnet sein als das Gatepad oder Gatevia 71.
  • 10 zeigt ein Hableiterbauelement, das eine Modifikation des Hableiterbauelements gemäß 9 darstellt. Beim Halbleiterbauelement gemäß 10 erstreckt sich das erste parasitäre Gebiet 40 derart in den Graben der Randtransistorzelle, dass das erste parasitäre Gebiet 40 ebenfalls zwischen der ersten und zweiten Grabenelektrode 73, 74 vorhanden ist.
  • 11 zeigt eine Modifikation des Halbleiterbauelements gemäß 10, bei dem die erste und die zweite Grabenelektrode weggelassen werden können. Das erste parasitäre Gebiet 40 kann elektrisch leitend mit dem floatenden Halbleitergebiet 16 in dem Zellengebiet 110 verbunden sein.
  • 12 zeigt eine Modifikation des Halbleiterbauelements gemäß 11. Im Halbleiterbauelement gemäß 12 sind mehrere floatende parasitäre Gebiete des ersten Leitfähigkeitstyps in dem Driftgebiet 11 außerhalb des Zellengebiets 110 angeordnet anstatt nur des ersten parasitären Gebiets 40 wie in 11 dargestellt. In 12 ist ein erstes parasitäres Gebiet 40 unterhalb des Gatepads oder Gatevias 71 angeordnet und ein zweites parasitäres Gebiet 41, das vom ersten parasitären Gebiet 40 in horizontaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 beabstandet ist, grenzt an den Graben mit der Gateelektrode 21 der Randtransistorzelle an. Des Weiteren ist ein drittes parasitäres Gebiet 42 zwischen dem ersten und zweiten parasitären Gebiet 40, 41 angeordnet und von diesen beiden ersten und zweiten parasitären Gebieten beabstandet. Jedes der drei parasitären Gebiete 40, 41, 42 grenzt an die erste Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 an. Das erste parasitäre Gebiet 40 ist unterhalb des Gatepads oder Gatevias 71 angeordnet, wogegen das zweite und dritte parasitäre Gebiet 41, 42 unterhalb des planaren Leiters 72 angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel ist das zweite parasitäre Gebiet 41 elektrisch leitend mit den floatenden Halbleitergebieten 16 in dem Zellengebiet 110 verbunden.
  • In jedem Ausführungsbeispiel, das mit Bezug auf die 6 und 9–12 erläutert wurde, sind die einzelnen Transistorzellen identisch, sodass die Randtransistorzelle vom Rand des Zellengebiets entfernten Transistorzellen entspricht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das in 13 dargestellt ist, können die Bauelementzellen am Rand des Zellengebiets 110 so modifiziert werden, dass sie ein Bodygebiet 14 umfassen, das elektrisch leitend mit der Emitterelektrode 32 jedoch nicht mit einem Sourcegebiet verbunden ist. 14 zeigt eine horizontale Schnittansicht eines Abschnittes des Zellgebiets 110 dieses Halbleiterbauelements. Die Bauelementzellen am Rand des Zellengebiets 110 umfassen keine Sourcegebiete 15. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) sind nicht nur diese Bauelemente am Rand des Zellengebiets 110 angeordnet, sondern es können auch Bauelementzellen, die an die am Rand befindlichen Bauelementzellen angrenzen, ohne ein Sourcegebiet 15 implementiert werden.
  • Das Halbleiterbauelement in 13 umfasst ein parasitäres Gebiet 40, das dem parasitären Gebiet 40 aus 11 entspricht. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Am Rand befindliche Bauelementzellen ohne ein Sourcegebiet 15 können bei jedem Halbleiterbauelement implementiert werden, das hier vorangehend beschrieben wurde.
  • In jedem der hier vorangehend beschriebenen Halbleiterbauelemente helfen die floatenden parasitären Gebiete 40 im Randgebiet oder unterhalb der Gatepads oder Gatevias Ladungsträger vom Randgebiet oder von unterhalb der Gatepads oder Gatevias an oder in das Zellengebiet zu transportieren und daher die Spannungsfestigkeit in diesen Gebieten zu verbessern.
  • Selbstverständlich können Merkmale der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.

Claims (20)

  1. Halbleiterbauelement, das aufweist: ein erstes Emittergebiet (12) eines ersten Leitfähigkeitstyps, ein zweites Emittergebiet eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp komplementären zweiten Leitfähigkeitstyps und ein Driftgebiet (11) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die in einem Halbleiterkörper (100) angeordnet sind; eine erste Elektrode (31), wobei das erste Emittergebiet (12) und das zweite Emittergebiet (13) zwischen dem Driftgebiet (11) und der ersten Elektrode (31) angeordnet sind und jeweils an die erste Elektrode (11) angeschlossen sind; ein Zellengebiet (110), das wenigstens eine Bauelementzelle aufweist, wobei die wenigstens eine Bauelementzelle aufweist: ein Bodygebiet (14) des ersten Leitfähigkeitstyps, das an das Driftgebiet angrenzt, ein Sourcegebiet (15) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das an das Bodygebiet (14) angrenzt und eine Gateelektrode (21) benachbart zu dem Bodygebiet (14) und durch ein Gatedielektrikum (22) dielektrisch von dem Bodygebiet (14) isoliert; eine zweite Elektrode (32), die elektrisch an das Sourcegebiet (15) und das Bodygebiet (14) der wenigstens einen Bauelementzelle angeschlossen ist; wenigstens ein erstes parasitäres Gebiet (40) des ersten Leitfähigkeitstyps, das außerhalb des Zellengebiets (110) angeordnet ist; und wobei das wenigstens eine erste parasitäre Gebiet (40) floatend ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist: eine Randabschlussstruktur; und wobei das wenigstens eine erste parasitäre Gebiet (140) Teil der Randabschlussstruktur ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, das weiterhin aufweist: ein Gatepad oder Gatevia (71), das elektrisch an die Gateelektrode (21) angeschlossen ist, oberhalb des Halbleiterkörpers (100) und beanstandet zu dem Zellengebiet (110) angeordnet ist; und wobei das wenigstens eine erste parasitäre Gebiet (40) wenigstens teilweise unterhalb des Gatepads oder Gatevias (71) in dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: ein zweites parasitäres Gebiet (41) beabstandet zu dem wenigstens einem ersten parasitären Gebiet (40) und außerhalb des Zellengebiets (110).
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei das zweite parasitäre Gebiet (41) an das Gatedielektrikum (22) der wenigstens einen Bauelementzelle angrenzt.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist: wenigstens einen planaren Leiter (57), der oberhalb des Halbleiterkörpers (100) außerhalb des Zellengebiets (110) angeordnet ist und der elektrisch an die Gateelektrode (21) angeschlossen ist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, das weiterhin aufweist: eine Randabschlussstruktur (50), die außerhalb des Zellengebietes (110) angeordnet ist, wobei die Randabschlussstruktur (50) wenigstens eine Feldplatte (51) aufweist; und wobei der wenigstens eine planare Leiter (57) weiterhin an die wenigstens eine erste Feldplatte (51) angeschlossen ist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, das weiterhin aufweist: ein Gatepad oder Gatevia, das außerhalb des Zellengebiets (110) und oberhalb einer ersten Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) angeordnet ist; und wobei der wenigstens eine planare Leiter (57) außerdem an das Gatepad oder Gatevia angeschlossen ist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, das weiterhin aufweist: eine erste Grabenelektrode (58) und eine zweite Grabenelektrode (59), die elektrisch an den wenigstens einen planaren Leiter (57) angeschlossen sind, die jeweils in einem Graben angeordnet sind und die elektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper (100) isoliert sind.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die ersten und zweiten Grabenelektroden (58, 59) das Zellengebiet (110) umgeben.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 oder 10, wobei das wenigstens eine erste parasitäre Gebiet (40) an den Graben mit der ersten Grabenelektrode (58) angrenzt.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem ein Abschnitt des Driftgebiets (11) sich bis an die erste Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) zwischen den ersten und zweiten Grabenelektroden (58, 59) erstreckt.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem ein Abschnitt des wenigstens einen ersten parasitären Gebiets (40) sich bis an eine erste Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) zwischen den ersten und zweiten Grabenelektroden (58, 59) erstreckt.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: mehrere Bauelementzellen; und ein floatendes Halbleitergebiet (16) des ersten Leitfähigkeitstyps in dem Zellengebiet zwischen den einzelnen Bauelementzellen.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, bei dem das floatende Halbleitergebiet (16) an eine erste Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) angrenzt.
  16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Gateelektrode (21) jeder Bauelementzelle in einem Graben angeordnet ist, der das Bodygebiet (14) der Bauelementzelle umgibt; und bei dem die Gateelektroden (21) der benachbarten Bauelementzellen elektrisch durch Leiter (24) miteinander verbunden sind, die oberhalb des Halbleiterkörpers (100) angeordnet sind.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das wenigstens eine erste parasitäre Gebiet (40) elektrisch an das floatende Halbleitergebiet (16) angeschlossen ist.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, das weiterhin aufweist: ein zweites parasitäres Gebiet (41) des ersten Leitfähigkeitstyps beabstandet zu dem wenigstens einen ersten parasitären Gebiet (40); und wobei wenigstens eines der ersten und zweiten parasitären Gebiet (40, 41) elektrisch an das floatende Halbleitergebiet (16) angeschlossen ist.
  19. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: mehrere Bauelementzellen in einem Zellengebiet; ein Randgebiet des Zellengebiets (110); und wobei Bauelementzellen entlang des Randgebiets des Zellengebiets kein Sourcegebiet aufweisen.
  20. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Länge des Driftgebiets (11) in einer Stromflussrichtung verläuft, wobei die Stromflussrichtung eine Richtung ist, in der Ladungsträger durch das Driftgebiet (11) fließen, wenn das Halbleiterbauelement in einem Ein-Zustand ist, und wobei ein Abstand zwischen dem wenigstens einen ersten parasitären Gebiet (40) und dem zweiten Emittergebiet (13) in einer Richtung senkrecht zu der Stromflussrichtung wenigstens der Länge des Driftgebiets (11) entspricht.
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