DE102013211717A1 - Rückwärts leitender IGBT - Google Patents
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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.
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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 gemäß2 . -
4 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines Zellengebiets des Halbleiterbauelements gemäß2 . -
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 gemäß6 . -
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.
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1 zeigt ein Halbleiterbauelement in einer vertikalen Schnittansicht, insbesondere ein Halbleiterbauelement, das einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) umfasst. Das Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper100 mit einer ersten Oberfläche101 und einer der ersten Oberfläche101 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche102 . Der Halbleiterkörper100 kann ein herkömmliches Halbleitermaterial, wie Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), oder ähnliches,. umfassen.1 zeigt eine Schnittansicht in einer vertikalen Ebene des Halbleiterkörpers100 , die senkrecht zu der ersten Oberfläche101 und der zweiten Oberfläche102 ist. - Bezugnehmend auf
1 umfasst das Halbleiterbauelement ein erstes Emittergebiet12 eines ersten Leitfähigkeitstyps und wenigstens ein zweites Emittergebiet13 eines zum ersten Leitfähigkeitstyp komplementären zweiten Leitfähigkeitstyps. Das erste Emittergebiet12 und das zweite Emittergebiet13 sind beide jeweils mit einer ersten Elektrode31 elektrisch leitend verbunden. Die erste Elektrode31 bildet einen Kollektoranschluss (Drainanschluss) C des Halbleiterbauelements (des IGBTs) oder ist elektrisch leitend mit solch einem Kollektoranschluss C verbunden. Das Halbleiterbauelement umfasst zudem ein Driftgebiet11 des zweiten Leitfähigkeitstyps. Das Driftgebiet11 ist von der ersten Elektrode31 durch das erste und zweite Emittergebiet12 ,13 , die sich zwischen dem Driftgebiet11 und der ersten Elektrode31 befinden, räumlich getrennt. Das Driftgebiet11 kann an das erste und zweite Emittergebiet12 ,13 angrenzen (wie dargestellt). Optional kann ein Feldstoppgebiet17 (in gestrichelten Linien dargestellt) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das höher als das Driftgebiet11 dotiert ist, zwischen dem Driftgebiet11 und dem ersten und zweiten Emittergebiet12 ,13 angeordnet sein. Die Dotierungskonzentration des Driftgebiets11 liegt beispielsweise zwischen 1012 (1E12) cm–3 und 1014 (1E14) cm–3. Die Dotierungskonzentrationen des ersten und zweiten Emittergebiets12 ,13 liegen beispielsweise zwischen 1016 (1E16) cm–3 und 1021 (1E21) cm–3. - Bezugnehmend auf
1 umfasst das Halbleiterbauelement zudem ein Zellengebiet110 mit wenigstens einer Bauelementzelle oder Transistorzelle. Bei dem in1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Zellengebiet110 eine Vielzahl von Bauelementzellen. Jede Bauelementzelle umfasst dabei ein Bodygebiet14 des ersten Leitfähigkeitstyps und ein Sourcegebiet15 des zweiten Leitfähigkeitstyps. Das Bodygebiet14 grenzt an das Driftgebiet11 an, sodass ein pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet14 und dem Driftgebiet11 gebildet wird. Das Sourcegebiet15 ist vom Driftgebiet11 durch das Bodygebiet14 räumlich getrennt. Jede Bauelementzelle umfasst zudem eine Gateelektrode21 , die an das Bodygebiet14 angrenzt und vom Bodygebiet14 dielektrisch durch ein Gatedielektrikum22 isoliert ist. Die Gateelektrode21 erstreckt sich von dem Sourcegebiet15 entlang des Bodygebiets14 in einen Bereich des Driftgebiets11 , sodass die Gateelektrode21 in der Lage ist, einen leitenden Kanal in dem Bodygebiet14 zwischen dem Sourcegebiet15 und dem Driftgebiet11 entlang des Gatedielektrikums22 zu steuern. Die Sourcegebiete15 und die Bodygebiete14 der einzelnen individuellen Bauelementzellen sind elektrisch leitend mit einer zweiten Elektrode32 verbunden. Die zweite Elektrode32 ist dielektrisch gegenüber der Gateelektrode21 durch ein Isolationsmaterial23 isoliert und bildet einen Emitteranschluss (Sourceanschluss) E des Halbleiterbauelements (des IGBTs) oder ist elektrisch leitend mit dem Emitteranschluss E verbunden. Die Gateelektroden21 der einzelnen Bauelementzellen sind elektrisch leitend mit einem Gateanschluss G verbunden (in1 nur schematisch dargestellt). - Im Ausführungsbeispiel gemäß
1 sind die Gateelektroden21 der einzelnen Bauelementzellen planare Elektroden, die oberhalb der ersten Oberfläche101 angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel können sich die einzelnen Bauelementzellen eine planare Elektrode teilen, die Öffnungen aufweist, in denen die zweite Elektrode32 elektrisch leitend mit den Source- und Bodygebieten14 ,15 der einzelnen Bauelementzellen verbunden ist. - Das erste und zweite Emittergebiet
12 ,13 , das Driftgebiet11 , die Bauelementzellen mit den Bodygebieten14 , den Sourcegebieten15 und den Gateelektroden21 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 Emittergebiet12 und die Bodygebiete14 , p-leitende Halbeitergebiete sind, wogegen die Halbleitergebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps, wie das zweite Emittergebiet13 , das Driftgebiet11 und die Sourcegebiete15 , 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 Driftgebiet11 rückwärts polt. Diese Spannung ist eine positive Spannung, wenn das Driftgebiet11 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 Bodygebiet14 zwischen dem Sourcegebiet15 und dem Driftgebiet11 bewirkt. Im eingeschalteten Zustand injiziert das erste Emittergebiet12 p-Ladungsträger (Löcher) in das Driftgebiet11 . Diese in das Driftgebiet11 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 Driftgebiet11 ausgehend von dem pn-Übergang zwischen dem Driftgebiet11 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 Driftgebiets11 und der Länge des Driftgebiets11 ab, die der kürzesten Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Emittergebiet12 ,13 bzw. dem Feldstoppgebiet17 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 Driftgebiet11 in Durchlassrichtung. In dieser Betriebsart bilden die Bodygebiete14 , das Driftgebiet11 und die zweiten Emittergebiete13 eine Diode, die auch dann noch Strom leitet, wenn der Kanal in dem Bodygebiet14 zwischen dem Sourcegebiet15 und dem Driftgebiet11 unterbrochen ist. Das Schaltsymbol dieser Diode ist in1 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 Driftgebiet11 injiziert, wogegen n-Ladungsträger (Elektronen) von dem zweiten Emittergebiet in das Driftgebiet11 injiziert werden. Diese Ladungsträger bilden ein Ladungsträgerplasma in dem Driftgebiet11 . Wenn der RC-IGBT vom rückwärts gepolten Zustand in den ausgeschalteten Zustand des vorwärts gepolten Zustands geschaltet wird, muss das Ladungsträgerplasma aus dem Driftgebiet11 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 Driftgebiet11 entfernt wird. Das Entfernen des Ladungsträgerplasmas aus dem Driftgebiet11 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 Bodybereich14 zwischen dem Sourcebereich15 und dem Driftbereich11 ausbildet, bevor der RC-IGBT vorwärts gepolt wird. Sobald der leitenden Kanal geöffnet ist, können Elektronen die Bodybereiche14 umgehen, wodurch die Injektion von Löchern in den Driftbereich11 reduziert wird. Damit wird die Konzentration von verbleibenden Ladungsträgern in dem Driftbereich11 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 Driftgebiet11 injiziert werden, in eine Betriebsart, bei der nur eine geringe Konzentration von Löchern in das Driftgebiet11 injiziert werden, oder gar in eine Betriebsart, bei der nur Elektronen in das Driftgebiet11 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 Driftgebiet11 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 Elektrode32 verbunden sind, kann das Halbleiterbauelement zumindest ein Halbleiterbauelementgebiet40 aufweisen, das floatend ist. Das Halbleiterbauelementgebiet40 ist kein aktives Bauelementgebiet, insbesondere keines der Bodygebiete, und wird nachfolgend als parasitäres Gebiet40 bezeichnet. Es gibt mehrere Gründe ein solches parasitäres Gebiet40 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 Driftgebiet11 bewegen, wenn sich das Halbleiterbauelement im eingeschalteten Zustand befindet. Bei dem Halbleiterbauelement gemäß1 korrespondiert die Stromflussrichtung mit der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers100 . In einem Ausführungsbeispiel ist das zweite Emittergebiet13 von wenigstens einem parasitären Gebiet40 in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung beabstandet, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel der lateralen Richtung des Halbleiterkörpers100 entspricht. In einem Ausführungsbeispiel ist der Abstand mindestens das 1-fache der Länge des Driftgebiets11 , das 1,5-fache der Länge des Driftgebiets11 , das 2-fache der Länge des Driftgebiets11 oder mehr. -
2 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines RC-IGBT, der eine Topologie aufweist, die bereits anhand von1 erläutert wurde. Beim RC-IGBT gemäß2 ist das parasitäre Gebiet40 Teil einer Randabschlussstruktur. Die in3 dargestellte horizontale Schnittansicht des RC-IGBT gemäß2 zeigt, dass das parasitäre Gebiet ringförmig ausgestaltet sein kann und das Zellengebiet100 (in2 nur schematisch dargestellt) umschließen kann. Bezugnehmend auf2 kann die Randabschlussstruktur zudem eine Feldplattenanordnung50 mit zumindest einer Feldplatte umfassen. Im Ausführungsbeispiel gemäß2 umfasst die Feldplattenanordnung50 eine erste Feldplatte51 , die oberhalb einer ersten Oberfläche101 angeordnet ist, mittels einer Isolationsschicht56 dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper100 isoliert ist und elektrisch leitend mit einem Anschluss55 für ein Referenzpotential verbunden ist. Der Anschluss55 für das Referenzpotential kann entweder mit dem Emitteranschluss (Sourceanschluss) E oder mit dem Gateanschluss G verbunden sein. Diese Verbindungen sind jedoch nicht in2 dargestellt. Die Feldelektrodenanordnung50 gemäß2 umfasst des Weiteren eine zweite Feldelektrode52 , die elektrisch leitend mit dem Halbleiterkörper nahe eines Randes des103 des Halbleiterkörpers100 verbunden ist. Der Rand103 schließt den Halbleiterkörper100 in horizontaler Richtung ab. Die zweite Feldelektrode52 liegt näher am Rand103 als die erste Feldelektrode51 und ist elektrisch leitend mit dem Halbleiterkörper100 mittels eines elektrischen Kontaktes54 verbunden. Im Ausführungsbeispiel gemäß2 ist der elektrische Kontakt54 mit einem Kontaktgebiet53 verbunden, das an die erste Oberfläche101 angrenzt. Das Kontaktgebiet53 ist ein Halbleitergebiet des entweder ersten oder zweiten Leitfähigkeitstyps und besitzt eine höhere Dotierungskonzentration als das Driftgebiet11 . Die Feldelektrodenanordnung50 , die in3 nicht dargestellt ist, kann wie das parasitäre Gebiet ringförmig ausgestaltet sein und das Zellengebiet110 mit den einzelnen Transistorzellen umschließen. - Anstatt einer Feldplattenanordnung, die in
5 und9 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 Bodygebieten14 , die eine rechteckige Form in der horizontalen Ebene besitzen.4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines RC-IGBTs gemäß2 , der rechteckige Transistorzellen aufweist. In der Schnittansicht in4 ist ein Ausschnitt des Zellengebiets110 dargestellt. Die einzelnen Bodygebiete14 gemäß4 können rechteckige Gebiete sein. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) können die Bodygebiete14 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 der1 und2 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 Oberfläche101 in den Halbleiterkörper100 erstreckt. In der horizontalen Ebene kann die Gateelektrode21 eine rechteckige oder hexagonale Form aufweisen, sodass die Bodygebiete14 demzufolge rechteckige oder hexagonale Halbleitergebiete sind. -
6 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines RC-IGBTs anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels. Der RC-IGBT umfasst ein Zellengebiet110 mit einer Vielzahl an Bauelementzellen (Transistorzellen), die zueinander parallel geschaltet sind.7 zeigt eine horizontale Schnittansicht einer Bauelementzelle eines Halbleiterbauelements aus6 . - Bezugnehmend auf die
6 und7 umfasst die Gateelektrode21 eine Vielzahl an ringförmigen Grabenelektrodenabschnitten, wobei jeder Grabenelektrodenabschnitt das Bodygebiet14 einer Transistorzelle umschließt. Im Ausführungsbeispiel, das in7 dargestellt ist, weist der ringförmige Gateelektrodenabschnitt21 eine rechteckige Form auf. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Diese Abschnitte können auch hexagonale, runde, elliptische oder ähnliche Formen aufweisen. Zwischen den Gateelektrodenabschnitten21 der einzelnen Transistorzellen sind floatende Hableitergebiete16 des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet. Diese floatenden Halbleitergebiete16 können zusammen ein gitterförmiges Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps bilden, in das die einzelnen Bauelementzellen eingebettet sind. Die Gateelektrodenabschnitte21 der benachbarten Transistorzellen sind elektrisch leitend durch Leiter24 , die oberhalb der ersten Oberfläche101 des Halbleiterkörpers100 angeordnet sind, verbunden. - Bei dem Halbleiterbauelement gemäß
6 ist das parasitäre Gebiet40 wieder ein Teil der Randabschlussstruktur50 . Die erste Feldplatte51 dieser Randabschlussstruktur50 ist elektrisch leitend mit den Gateelektrodenabschnitten21 oder den Leitern24 der einzelnen Transistorzellen durch einen planaren Leiter57 , der oberhalb der ersten Oberfläche101 des Halbleiterkörpers100 angeordnet ist, verbunden. - Bezugnehmend auf
8 , die eine horizontale Schnittansicht des Halbleiterbauelements gemäß6 zeigt, kann die Randabschlussstruktur50 das Zellengebiet110 mit den einzelnen Transistorzellen, die in8 nur schematisch dargestellt sind, umschließen. - Bezugnehmend auf
6 kann die Randabschlussstruktur50 ein weiteres parasitäres Gebiet41 des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen. Das weitere parasitäre Gebiet41 ist in horizontaler Richtung des Halbleiterkörpers100 von dem parasitären Gebiet40 beabstandet und befindet sich zwischen dem parasitären Gebiet40 und dem Zellengebiet110 . Im Folgenden wird das parasitäre Gebiet40 als erstes parasitäres Gebiet40 und das weitere parasitäre Gebiet41 als zweites parasitäres Gebiet41 bezeichnet. Das erste und das zweite parasitäre Gebiet40 ,41 können beide an die erste Oberfläche101 angrenzen. Bezugnehmend auf8 können das erste und das zweite parasitäre Gebiet40 ,41 ringförmig ausgebildet sein und das Zellengebiet110 in der horizontalen Ebene umschließen. Zwischen dem ersten und dem zweiten parasitären Gebiet40 ,41 kann sich ein Abschnitt des Driftgebiets11 zur ersten Oberfläche101 des Halbleiterkörpers erstrecken. - Bezugnehmend auf
6 kann die Randabschlussstruktur50 zudem eine erste und zweite Grabenelektrode58 ,59 umfassen, die elektrisch leitend mit dem planaren Leiter57 verbunden sind. Die erste und zweite Grabenelektrode58 ,59 sind in Gräben abgeordnet, die sich von der ersten Oberfläche101 in den Halbleiterkörper100 erstrecken. Diese ersten und zweiten Grabenelektroden58 ,59 sind in lateraler Richtung des Hableiterkörpers100 zueinander beabstandet. Des Weiteren können bezugnehmend auf8 die erste und die zweite Grabenelektrode58 ,59 (gestrichelt dargestellt) das Zellengebiet110 ähnlich wie die parasitären Gebiete40 ,41 umschließen. Eine jede der ersten und zweiten Grabenelektrode58 ,59 ist dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper100 durch eine dielektrische Schicht60 isoliert, die zudem den planaren Leiter57 gegenüber dem Halbleiterkörper100 isoliert. - Die Tiefen der ersten und zweiten Grabenelektroden
58 ,59 können den Tiefen der Gateelektroden21 der einzelnen Transistorzellen entsprechen. Beim Halbleiterbauelement gemäß6 grenzt das erste parasitäre Gebiet40 an den Graben mit der ersten Grabenelektrode58 und an die dielektrische Schicht60 an, wogegen das zweite parasitäre Gebiet41 an den Graben mit der zweiten Grabenelektrode59 und der entsprechenden dielektrischen Schicht angrenzt. Das zweite parasitäre Gebiet41 grenzt zudem an einen Graben mit der Gateelektrode21 einer Randtransistorzelle an. Die Randtransistorzelle ist eine Transistorzelle am Rand des Zellengebiets110 . Zwischen der ersten und der zweiten Grabenelektrode58 ,59 erstreckt sich ein Abschnitt des Driftgebiets11 in die erste Oberfläche101 des Halbleiterkörpers100 . - In einem Ausführungsbeispiel ist das zweite parasitäre Gebiet
41 elektrisch leitend mit dem floatenden Gebiet16 in dem Zellengebiet110 verbunden. Jedoch ist solch eine elektrische Verbindung nicht explizit in6 dargestellt. -
9 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Halbleiterbauelements nach einem Ausführungsbeispiel. Das Halbleiterbauelement in9 unterscheidet sich vom Halbleiterbauelement in6 dadurch, dass das erste parasitäre Gebiet40 im Halbleiterkörper100 unterhalb eines Gatepads oder Gatevias71 angeordnet ist. Das Gatepad oder Gatevia71 ist oberhalb der ersten Oberfläche101 des Halbleiterkörpers100 angeordnet und von dem Zellengebiet110 in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers10 beabstandet. Eine Gateanschlusselektrode76 kann elektrisch leitend mit dem Gatepad oder Gatevia71 verbunden sein. Die Gateanschlusselektrode76 ist mit dem Gateanschluss G des Hableiterbauelements verbunden oder bildet diesen Gateanschluss. - Das Gatepad oder Gatevia
71 ist elektrisch leitend mit den Gateelektrodenabschnitten21 der einzelnen Transistorzellen mittels eines planaren Leiters72 , der oberhalb der ersten Oberfläche101 des Halbleiterkörpers100 angeordnet und dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper100 mittels einer dielektrischen Schicht77 isoliert ist, verbunden. Wie im Ausführungsbeispiel, das mit Bezug auf die6 und8 erläutert wurde, kann das erste parasitäre Gebiet40 das Zellengebiet110 in der horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers100 umschließen. Des Weiteren kann das Halbleiterbauelement ein zweites parasitäres Gebiet42 umfassen, das dem anhand von6 erläuterten zweiten parasitären Gebiet41 entspricht. Eine erste und zweite Grabenelektrode73 ,74 sind mit dem planaren Leiter72 verbunden. Die erste und zweite Grabenelektrode73 ,74 können der ersten und zweiten Grabenelektrode58 ,59 , die anhand von6 erläutert wurden, entsprechen, sodass alles, was zu diesen Grabenelektroden58 ,59 erläutert wurde, auch für die Grabenelektroden73 ,74 gemäß9 gilt. - Bezugnehmend auf
9 ist das Gatepad oder Gatevia71 dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper100 durch eine dielektrische Schicht77 isoliert. Diese dielektrische Schicht77 kann dicker sein als die dielektrische Schicht75 , die den planaren Leiter72 gegenüber dem Halbleiterkörper100 isoliert. Mit anderen Worten, der planare Leiter72 kann näher an der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers100 angeordnet sein als das Gatepad oder Gatevia71 . -
10 zeigt ein Hableiterbauelement, das eine Modifikation des Hableiterbauelements gemäß9 darstellt. Beim Halbleiterbauelement gemäß10 erstreckt sich das erste parasitäre Gebiet40 derart in den Graben der Randtransistorzelle, dass das erste parasitäre Gebiet40 ebenfalls zwischen der ersten und zweiten Grabenelektrode73 ,74 vorhanden ist. -
11 zeigt eine Modifikation des Halbleiterbauelements gemäß10 , bei dem die erste und die zweite Grabenelektrode weggelassen werden können. Das erste parasitäre Gebiet40 kann elektrisch leitend mit dem floatenden Halbleitergebiet16 in dem Zellengebiet110 verbunden sein. -
12 zeigt eine Modifikation des Halbleiterbauelements gemäß11 . Im Halbleiterbauelement gemäß12 sind mehrere floatende parasitäre Gebiete des ersten Leitfähigkeitstyps in dem Driftgebiet11 außerhalb des Zellengebiets110 angeordnet anstatt nur des ersten parasitären Gebiets40 wie in11 dargestellt. In12 ist ein erstes parasitäres Gebiet40 unterhalb des Gatepads oder Gatevias71 angeordnet und ein zweites parasitäres Gebiet41 , das vom ersten parasitären Gebiet40 in horizontaler Richtung des Halbleiterkörpers100 beabstandet ist, grenzt an den Graben mit der Gateelektrode21 der Randtransistorzelle an. Des Weiteren ist ein drittes parasitäres Gebiet42 zwischen dem ersten und zweiten parasitären Gebiet40 ,41 angeordnet und von diesen beiden ersten und zweiten parasitären Gebieten beabstandet. Jedes der drei parasitären Gebiete40 ,41 ,42 grenzt an die erste Oberfläche des Halbleiterkörpers100 an. Das erste parasitäre Gebiet40 ist unterhalb des Gatepads oder Gatevias71 angeordnet, wogegen das zweite und dritte parasitäre Gebiet41 ,42 unterhalb des planaren Leiters72 angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel ist das zweite parasitäre Gebiet41 elektrisch leitend mit den floatenden Halbleitergebieten16 in dem Zellengebiet110 verbunden. - In jedem Ausführungsbeispiel, das mit Bezug auf die
6 und9 –12 erläutert wurde, sind die einzelnen Transistorzellen identisch, sodass die Randtransistorzelle vom Rand des Zellengebiets entfernten Transistorzellen entspricht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das in13 dargestellt ist, können die Bauelementzellen am Rand des Zellengebiets110 so modifiziert werden, dass sie ein Bodygebiet14 umfassen, das elektrisch leitend mit der Emitterelektrode32 jedoch nicht mit einem Sourcegebiet verbunden ist.14 zeigt eine horizontale Schnittansicht eines Abschnittes des Zellgebiets110 dieses Halbleiterbauelements. Die Bauelementzellen am Rand des Zellengebiets110 umfassen keine Sourcegebiete15 . In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) sind nicht nur diese Bauelemente am Rand des Zellengebiets110 angeordnet, sondern es können auch Bauelementzellen, die an die am Rand befindlichen Bauelementzellen angrenzen, ohne ein Sourcegebiet15 implementiert werden. - Das Halbleiterbauelement in
13 umfasst ein parasitäres Gebiet40 , das dem parasitären Gebiet40 aus11 entspricht. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Am Rand befindliche Bauelementzellen ohne ein Sourcegebiet15 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)
- 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. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist: eine Randabschlussstruktur; und wobei das wenigstens eine erste parasitäre Gebiet (
140 ) Teil der Randabschlussstruktur ist. - 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. - 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 ). - Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei das zweite parasitäre Gebiet (
41 ) an das Gatedielektrikum (22 ) der wenigstens einen Bauelementzelle angrenzt. - 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. - 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. - 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. - 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. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die ersten und zweiten Grabenelektroden (
58 ,59 ) das Zellengebiet (110 ) umgeben. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 oder 10, wobei das wenigstens eine erste parasitäre Gebiet (
40 ) an den Graben mit der ersten Grabenelektrode (58 ) angrenzt. - 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. - 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. - 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. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, bei dem das floatende Halbleitergebiet (
16 ) an eine erste Oberfläche (101 ) des Halbleiterkörpers (100 ) angrenzt. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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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