DE102014103325B4 - Leistungsschaltmodule mit verringerter Oszillation und Verfahren zur Herstellung eines Leistungsschaltmoduls - Google Patents

Leistungsschaltmodule mit verringerter Oszillation und Verfahren zur Herstellung eines Leistungsschaltmoduls Download PDF

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Abstract

Leistungsschaltmodul, aufweisend:ein Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen, das für einen Nennstrom ausgelegt ist; undeine Freilaufeinheit (108a, 108b), aufweisend eine pn-Diode (103a, 103b), die in ein erstes Halbleitermaterial (210a) mit einer ersten Bandlücke integriert ist, und eine Schottky-Diode (104a, 104b), die in ein zweites Halbleitermaterial (210b) mit einer zweiten Bandlücke integriert ist, wobei die zweite Bandlücke größer ist als die erste Bandlücke; wobei die Schottky-Diode (104a, 104b) elektrisch parallel mit der pn-Diode (103a, 103b) verbunden ist, undwobei die pn-Diode (103a, 103b) betreibbar ist, um einen Spitzenrückstrom beim Nennstrom des Leistungshalbleiterbauelements (101a, 101b) zu tragen, der vom 0,5-fachen bis 1,8-fachen einer kapazitiven Stromspitze der Schottky-Diode (104a, 104b) reicht.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Hierin beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf Leistungsschaltmodule mit verringerter Oszillation und Verfahren zur Herstellung eines Leistungsschaltmoduls.
  • STAND DER TECHNIK
  • Freilaufdioden werden für den Schutz von Leistungshalbleiterbauelementen vor Spannungsspitzen verwendet, die auftreten, wenn das Leistungshalbleiterbauelement induktive Lasten schaltet. Wenn die induktive Last plötzlich von einer Stromversorgung durch Abschalten des aktiven Bauelement getrennt wird, induziert die magnetische Energie, die in der induktiven Last gespeichert ist, aufgrund der plötzlichen Stromänderung eine hohe Spannung. Eine Freilaufdiode stellt einen Leitungsweg bereit, um Strom, der durch die induktive Last angetrieben wird, zu führen, was die Stromänderung verringert und verhindert, dass die Spannungsspitze, die durch Induktion verursacht wird, an dem Leistungshalbleiterbauelement auftritt.
  • Typischerweise werden pn-Dioden als Freilaufdioden verwendet. Aus dem Blickwinkel der Verringerung von Schaltverlusten bieten Schottky-Dioden eine Alternative zu pn-Dioden, da Schottky-Dioden aufgrund signifikant geringerer Mengen an gespeicherter Ladung im Vergleich zu pn-Dioden ein schnelleres Umschalten ermöglichen.
  • Das schnelle Umschalten von Schottky-Dioden, wenn sie als Freilaufdioden für zum Beispiel IGBTs verwendet werden, verursacht jedoch starke Oszillationen während des Umschaltens. Die Oszillationen führen zu unerwünschtem elektronischem Rauschen. Zur Verringerung solcher Oszillationen kann die Schaltgeschwindigkeit, d.h., die Rate di/dt, mit der die IGBTs geschaltet werden, verringert werden. Dies erhöht jedoch die Schaltverluste innerhalb des IGBT.
  • Die Druckschrift DE 10 2008 009 111 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einer Schaltvorrichtung und einer Freilaufdiode parallel zur Schaltvorrichtung.
  • Die Druckschrift DE 10 2006 016 049 A1 beschreibt ein Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungsträgerrekombinationszonen.
  • Die nachveröffentlichte Druckschrift DE 10 2012 105 162 A1 beschreibt eine Chopperschaltung mit integriertem Halbleiterbauelement.
  • Angesichts des Vorhergesagten besteht ein Bedarf an einer Verbesserung.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform weist ein Leistungsschaltmodul ein Leistungshalbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das für einen Nennstrom ausgelegt ist, und eine Freilaufeinheit auf. Die Freilaufeinheit enthält eine pn-Diode, die in ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke integriert ist, und eine Schottky-Diode, die in ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke integriert ist, die größer ist als die erste Bandlücke. Die Schottky-Diode ist elektrisch parallel mit der pn-Diode verbunden. Die pn-Diode ist betreibbar, um einen Spitzenrückstrom beim Nennstrom des Leistungshalbleiterbauelements zu führen, der von etwa 0,5 bis etwa 1,8 einer kapazitiven Stromspitze der Schottky-Diode reicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist ein Leistungsschaltmodul ein Leistungshalbleiterbauelement mit drei Anschlüssen und eine Freilaufeinheit auf. Die Freilaufeinheit umfasst eine pn-Diode, die in ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke integriert ist, und eine Schottky-Diode, die in ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke integriert ist, die größer ist als die erste Bandlücke. Die Schottky-Diode ist elektrisch parallel mit der pn-Diode verbunden. Die pn-Diode hat eine Gesamt-pn-Übergangsfläche und die Schottky-Diode hat eine Gesamt-Schottky-Übergangsfläche, und ein Verhältnis zwischen der Gesamt-pn-Übergangsfläche und der Gesamt-Schottky-Übergangsfläche ist von etwa 0,08 bis 0,3. Ein Verhältnis zwischen einem Strom durch die pn-Diode und einem Strom durch die Schottky-Diode geht von etwa 0,05 bis 0,25 für einen gegebenen Gesamtstrom durch die pn-Diode und die Schottky-Diode.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist ein Leistungsschaltmodul ein Leistungshalbleiterbauelement mit drei Anschlüssen und eine Freilaufeinheit auf. Die Freilaufeinheit umfasst eine pn-Diode, die in ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke integriert ist, eine Induktivität, die elektrisch in Reihe mit der pn-Diode verbunden ist, und eine Schottky-Diode, die in ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke integriert ist, die größer ist als die erste Bandlücke. Die Schottky-Diode ist elektrisch parallel mit der pn-Diode zur Induktivität verbunden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsschaltmoduls: Bereitstellen eines Leistungshalbleiterbauelements mit drei Anschlüssen mit einem Nennstrom; Bereitstellen einer Schottky-Diode, die in ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke integriert ist; Bereitstellen einer pn-Diode, die in ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke integriert ist, die kleiner als die zweite Bandlücke ist, wobei die pn-Diode einen Spitzenrückstrom bei dem Nennstrom des Leistungshalbleiterbauelements hat, der von etwa 0,5 bis etwa 1,8 einer kapazitiven Stromspitze der Schottky-Diode reicht; das elektrische Verbinden der Schottky-Diode parallel mit der pn-Diode zur Bildung einer Freilaufeinheit; und das elektrische Anschließen der Freilaufeinheit mit der Leistungshalbleiterbauelement mit drei Anschlüssen zur Bildung des Leistungsschaltmoduls.
  • Fachleute werden zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei Betrachtung der beiliegenden Zeichnungen erkennen.
  • Figurenliste
  • Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabgetreu und stattdessen liegt der Schwerpunkt auf der Darstellung der Prinzipien der Erfindung. Ferner bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. In den Zeichnungen:
    • zeigt 1 ein Leistungsschaltmodul gemäß einer Ausführungsform;
    • zeigt 2 einen IGBT, der als Leistungshalbleiterbauelement mit drei Anschlüssen gemäß einer Ausführungsform verwendet wird;
    • zeigt 3 eine Freilaufeinheit gemäß einer Ausführungsform;
    • zeigt 4 eine Freilaufeinheit gemäß einer Ausführungsform;
    • zeigt 5 eine Freilaufeinheit gemäß einer Ausführungsform;
    • zeigt 6 eine pn-Diode, die in einer Freilaufeinheit gemäß einer Ausführungsform verwendet wird;
    • zeigt 7A das elektrische Symbol für das Modul, das in 7B dargestellt ist, die ein integriertes Leistungsschaltmodul gemäß einer Ausführungsform zeigt, wo die pn-Diode in das Bauelement mit drei Anschlüssen integriert ist;
    • zeigt 8A die Vorwärtscharakteristik einer pn-Diode und einer Schottky-Diode gemäß einer Ausführungsform und zeigt 8B eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 8A; und
    • zeigt 9 das Oszillationsverhalten während des Schaltens eines IGBT mit Schottky-Dioden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in welchen spezifische Ausführungsformen, in welchen die Erfindung ausgeführt werden kann, als Veranschaulichung gezeigt sind. In dieser Hinsicht wird eine richtungsangebende Terminologie wie „oben“, „unten“, „vordere“, „hintere“, „oberhalb“, „über“ usw. in Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Reihe verschiedener Orientierungen positioniert sein können, wird die richtungsangebende Terminologie zum Zweck der Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Ferner werden Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen zur Beschreibung verschiedener Elemente, Gebiete, Abschnitte, usw. verwendet, die auch nicht als einschränkend gedacht sind. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente. Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „habend“, „beinhaltend“, „enthaltend“, „aufweisend“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein der genannten Elemente oder Merkmale angeben, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „einer“, „eine“, „eines“ und „der“, „die“, „das“ sollen die Mehrzahl wie auch die Einzahl enthalten, falls der Zusammenhang nicht eindeutig anderes angibt. Die folgende ausführliche Beschreibung ist bezüglich des Schutzumfangs nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen und der Umfang der vorliegenden Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
  • Der Begriff „lateral“, wie in dieser Beschreibung verwendet, soll eine Orientierung parallel zur Hauptfläche einer Halbleiterträgerschicht beschreiben.
  • Der Begriff „vertikal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, soll eine Orientierung beschreiben, die senkrecht zur Hauptfläche einer Halbleiterträgerschicht ausgerichtet ist.
  • In dieser Beschreibung wird davon ausgegangen, dass eine zweite Oberfläche einer Halbleiterträgerschicht durch die untere oder Rückfläche gebildet ist, während davon ausgegangen wird, dass eine erste Oberfläche durch die obere, vordere oder Hauptfläche der Halbleiterträgerschicht gebildet wird. Die Begriffs „über“ und „unter“, wie in dieser Beschreibung verwendet, beschreiben daher eine relative Stelle eines Strukturmerkmals zu einem anderen Strukturmerkmal unter Berücksichtigung dieser Orientierung.
  • Die Begriffe „elektrische Verbindung“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben eine ohmsche Verbindung zwischen zwei Elementen.
  • Eine Ausführungsform wird anschließend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 zeigt eine Halbbrücke, die ein Leistungsschaltmodul zum Schalten einer induktiven Last wie eines Motors ist. Die induktive Last ist bei 105 dargestellt. Zwei Leistungshalbleiterbauelemente 101a und 101b mit drei Anschlüssen sind in Reihe verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Leistungshalbleiterbauelemente 101a und 101b mit drei Anschlüssen bipolare Transistoren mit isoliertem Gate, die jeweils einen Gateanschluss 102a, 102b, einen Emitteranschluss und einen Kollektoranschluss haben. Die Emitteranschlüsse und Kollektoranschlüsse sind bei E bzw. C dargestellt. In einer weiteren Ausführungsform sind die Leistungshalbleiterbauelemente 101a und 101b mit drei Anschlüssen MOSFETs. In der Folge werden die Leistungshalbleiterbauelemente 101a und 101b mit drei Anschlüssen als erster und zweiter IGBT 101a bzw. 101b bezeichnet.
  • Eine Freilaufeinheit ist anti-parallel mit jedem von dem ersten und zweiten IGBT 101a und 101b verbunden. Jede Freilaufeinheit enthält mindestens eine pn-Diode 103a, 103b, die in einem ersten Halbleitermaterial integriert ist, und mindestens eine Schottky-Diode 104a, 104b, die in einem zweiten Halbleitermaterial integriert ist. Das erste Halbleitermaterial hat eine erste Bandlücke und das zweite Halbleitermaterial hat eine zweite Bandlücke, die größer als die erste Bandlücke ist. Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Halbleitermaterial Silizium und das zweite Halbleitermaterial ist Siliziumcarbid. Daher ist die pn-Diode 103a, 103b eine Si pn-Diode und die Schottky-Diode 104a, 104b ist eine SiC Schottky-Diode. In jeder Freilaufeinheit ist die entsprechende Schottky-Diode 104a, 104b elektrisch parallel mit der pn-Diode 103, 103b verbunden. Die pn-Diode stellt eine Ladung bereit, die als Schweifstrom fließt, um Oszillationen zu dämpfen, die durch das kapazitive Verhalten der Schottky-Diode verursacht werden.
  • Die in 1 dargestellte Ausführungsform enthält zwei Leistungshalbleiterbauelemente 101a, 101b mit drei Anschlüssen und zwei Freilaufeinheiten 108a, 108b, wobei eine entsprechende der Freilaufeinheiten 108a, 108b elektrisch anti-parallel mit einer entsprechenden der Leistungshalbleiterbauelemente 101a, 101b mit drei Anschlüssen verbunden ist. Die Anzahl von Leistungshalbleiterbauelementen und Freilaufeinheiten 108a, 108b ist nicht auf zwei beschränkt. Zum Beispiel enthält eine Vollbrücke vier Leistungshalbleiterbauelemente und vier Freilaufeinheiten 108a, 108b.
  • Die pn-Diode 103a, 103b kann eine pin-Diode sein mit einem hoch dotierten Anodengebiet in Kontakt mit einem nieder dotierten oder intrinsischen Driftgebiet, um einen pn-Übergang zu bilden, und einem hoch dotierten Kathodengebiet in ohmschem Kontakt mit dem nieder dotierten oder intrinsischen Driftgebiet. Die pn-Diode 103a, 103b ist in der Folge näher beschrieben.
  • Es wird zum Beispiel angenommen, dass der erste IGBT 101a leitend ist und der zweite IGBT 101b in einem Blockierungsmodus ist. Die Spannung Uder Spannungsquelle fällt dann vorwiegend über dem zweiten IGBT 101b. Es ist zu vernachlässigen, dass ein kleiner Spannungsabfall auch im Vorwärtsmodus des ersten IGBT 101a auftritt. Der Strom i fließt somit von der Spannungsquelle (von plus zu minus) durch den ersten IGBT 101a zur leitenden Last 105.
  • Während des Umschaltens wird der erste IGBT 101a in einen Blockierungszustand gebracht, während der zweite IGBT 101b leitend gemacht wird. Die induktive Last 105 wird dann mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden, was bedeutet, dass der Strom durch die leitende Last 105 fließt. Wie allgemein bekannt ist, „wirkt“ eine Induktivität gegen jede Änderung des Stroms, der durch sie hindurch fließt, und versucht, den Strom am Fließen zu halten. Jede Änderung des Stroms, d.h., di/dt, führt zur Erzeugung einer Spannung laut Gleichung (1): u L = L d i d t
    Figure DE102014103325B4_0001
  • Somit induziert die Änderung des Stroms i durch die induktive Last 105 eine Spannung uL über der induktiven Last 105, die eigentlich versucht, den Strom anzutreiben. Ohne Freilaufdioden würde es keinen elektrischen Weg für den Strom geben, der durch die induktive Last 105 angetrieben wird, und die induzierte Spannung uL, die höher sein könnte als die blockierende Nennspannung der IGBTs, würde über dem zweiten IGBT 101b fallen und könnte den zweiten IGBT 101b zerstören.
  • Die Freilaufeinheiten 108a, 108b einschließlich der Dioden 103a, 103b, 104a, 104b stellen einen Weg für den Strom bereit, der durch die induktive Last 105 angetrieben wird. Wenn die Last 105 zur Einheit 108a parallel ist, dient 108b als ein Freilaufweg für den Strom, der durch die induktive Last 105 angetrieben wird. Wenn in diesem Fall der erste IGBT 101a aus einem leitenden Zustand in einen blockierenden Zustand gebracht wird, „kommutiert“ der Strom vom ersten IGBT 101a zu den Freilaufdioden 103b und 104b. Dies vermeidet die Erzeugung einer Hochspannung über dem ersten IGBT 101a.
  • Während des Schaltens der induktiven Last 105 können aufgrund des LC-Resonators, der durch die Kapazitäten der pn-Diode 103a gebildet wird, der Kapazität der Schottky-Dioden 104a und der Streuinduktivität 106, die durch die elektrischen Anschlüsse zwischen den elektronischen Elementen gebildet wird, die in 1 dargestellt sind, vorübergehende Oszillationen auftreten. Wenn die Last 105 zu den Dioden 103b, 104b parallel ist, gilt dasselbe.
  • Zur Vermeidung oder Verringerung dieser Oszillationen ist die pn-Diode 103a, 103b betriebsbereit, um einen Spitzenrückstrom bei dem Nennstrom der IGBTs 101a, 101b zu haben, der etwa 0,5 bis etwa 1,8 der kapazitiven Stromspitze der Schottky-Diode 104a, 104b ist. In einer Ausführungsform ist der Spitzenrückstrom der pn-Diode 103a, 103b etwa 0,7 bis etwa 1,5 der kapazitiven Stromspitze der Schottky-Diode. Die kapazitive Stromspitze einer Schottky-Diode kann aufgrund der flächenspezifischen Kapazität cj berechnet werden, die in Gleichung (2) angegeben ist. Das tiefgestellte Zeichen j gibt an, dass dies die Kapazität des Metall-Halbleiter-Übergangs ist: c j = q ⋅ ε ⋅ N D 2 ⋅ ( V j + V r )
    Figure DE102014103325B4_0002
    wobei q die Elementarladung ist, ND die Dotierungskonzentration im Driftgebiet der Schottky-Diode ist, ε die Dielektrizitätskonstante ist, Vj die Übergangsspannung des Metall-Halbleiter-Übergangs der Schottky-Diode ist und Vr die angelegte Spannung ist. Die Dotierungskonzentration ND in SiC kann um einen Faktor von 100 im Vergleich zur Dotierungskonzentration ND in Si größer sein. Die flächenspezifische Kapazität cj hat ihr Maximum, wenn Vr null ist. Dies führt zu c j ( 0 V ) = q ⋅ ε ⋅ N D 2 ⋅ V j
    Figure DE102014103325B4_0003
  • Zur Berechnung der Kapazität Cj(0V) wird die flächenspezifische Kapazität cj(0V) mit der Gesamt-Übergangsfläche A des Schottky-Übergangs laut Gleichung (4) multipliziert: C j ( 0 V ) = c j ( 0 V ) ⋅ A
    Figure DE102014103325B4_0004
  • Der Wert cj(0V) ist ein charakteristischer Wert für jede Schottky-Diode und typischerweise im Datenblatt kommerziell erhältlicher Schottky-Dioden angegeben. Die Stromspitze Id,peak, die durch die Kapazität der Schottky-Diode verursacht wird, ist durch Gleichung (5) gegeben: I D , p e a k = C j ( 0 V ) ⋅ d u d t
    Figure DE102014103325B4_0005
    wobei du/dt die Variation der Spannung über der Schottky-Diode ist. Die Variation du/dt wird typischerweise durch die tatsächliche Schaltanwendung und den IGBT, der zum Schalten der Spannung verwendet wird, bestimmt und gesteuert. In der Folge ist ein Beispiel auf der Basis von 9 gegeben.
  • 9 zeigt ein Beispiel, wo nur eine Schottky-Diode als Freilaufdiode verwendet wird. Schottky-Dioden ermöglichen ein schnelles Schalten, verursachen aber eine starke Oszillation, wenn bei hoher Rate geschaltet wird. Die Spannung über der Schottky-Diode (120V/div) ist bei 953 dargestellt, während der invertierte Diodenstrom der Schottky-Diode (50A/div) bei 951 dargestellt ist. Dies führt zu den Verlusten der Schottky-Diode, die bei 954 dargestellt sind. Die Gate-Spannung des IGBT (5V/div) ist bei 952 dargestellt.
  • Wie aus 9 abgeleitet werden kann, ist du/dt etwa 30V/ns. Die Schottky-Diode, die für die in 9 gezeigte Messung verwendet wurde, hatte eine Kapazität Cj(0V) von etwa 754 pF, was eine Stromspitze Id,peak von etwa 90,48 A ergab, was mit den Messergebnissen korreliert.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die pn-Diode 103a, 103b jeder Freilaufeinheit 108a, 108b parallel mit der Schottky-Diode 104a, 104b der entsprechenden Freilaufeinheit 108a, 108b verbunden. Die pn-Diode 103a, 103b dämpft die Oszillation aufgrund ihres Soft-Recovery-Verhaltens. Gemäß einer Ausführungsform ist die pn-Diode 103a, 103b betreibbar, um einen Spitzenrückstrom IRPM zu tragen, der etwa 0,5 bis etwa 1,8, in einigen Ausführungsformen etwa 0,7 bis etwa 1,5 der kapazitiven Stromspitze Id,peak der Schottky-Diode gemäß Gleichung (6) ist: I R R M = 0.5 … 1.8 ⋅ I D , p e a k
    Figure DE102014103325B4_0006
  • Wenn die pn-Diode 103a, 103b so gestaltet wird, dass sie einen Spitzenrückstrom IRPM im oben genannte Bereich relativ zur kapazitiven Stromspitze Id,peak der Schottky-Diode ermöglicht, können Oszillationen signifikant verringert werden, ohne die Schaltverluste zu erhöhen. Die pn-Diode 103a, 103b der Freilaufeinheit 108a, 108b liefert einen sogenannten Schweifstrom, der die Oszillation dämpft. Der Schweifstrom ist das Ergebnis des Schaltverhaltens der pn-Diode 103a, 103b. Wenn die pn-Diode 103a, 103b zum Beispiel in einen leitenden Zustand eingeschaltet wird, steigt der Strom nicht sofort auf den Beharrungsstrom, da der pn-Übergang zuerst mit Ladungsträgern geflutet werden muss. Auch wenn die pn-Diode 103a, 103b abgeschaltet wird, müssen die Ladungsträger, die in der pn-Diode 103a, 103b gespeichert sind, entfernt werden, bevor die pn-Diode 103a, 103b die Blockierungsspannung aufnehmen kann. Somit gibt es eine „Erholungszeit“ für die pn-Diode 103a, 103b, in der ein Schweifstrom während des Abschaltens fließt.
  • Obwohl ein ausgeprägter Schweifstrom die Gesamtverluste des Schaltmoduls erhöhen kann, kann eine Erhöhung des Verlustes begrenzt werden, wenn der Spitzenrückstrom IRPM der pn-Diode 103a, 103b wie oben angegeben eingestellt wird. Dies ist der Fall, wenn IGBTs als Leistungshalbleiterbauelementen verwendet werden.
  • Um der pn-Diode 103a, 103b die geeigneten Dämpfungsmerkmale zu verleihen, ohne die Verluste zu erhöhen, wird ein Verhältnis zwischen einem Strom durch die pn-Diode 103a, 103b und einem Strom durch die Schottky-Diode 104a, 104b gemäß einer Ausführungsform zwischen etwa 0,05 und 0,25 für einen bestimmten Gesamtstrom durch die pn-Diode 103a, 103b und die Schottky-Diode 104a, 104b eingestellt. Somit ist der Teil des Stroms, der von der pn-Diode 103a, 103b geführt wird, etwa 5% bis etwa 25% des Stroms, der von der Schottky-Diode 104a, 104b geführt wird.
  • Ferner kann die pn-Diode 103a, 103b etwa 25% des Gesamtstroms bei Nennstrom führen. Der Spitzenrückstrom IRPM kann auch von der Schaltflanke di/dt des IGBT abhängig sein, wobei die Schaltflanke vergleichsweise hoch eingestellt ist. Zum Beispiel kann die Schaltflanke di/dt im Bereich von etwa 1250A/µs für eine pn-Übergangsfläche der pn-Diode 103a, 103b von etwa 0,25 cm2 sein.
  • Eine Option zur Einstellung des Stromverhältnisses ist das Versehen der pn-Diode 103a, 103b und der Schottky-Diode 104a, 104b mit einem passenden Flächenverhältnis. Gemäß einer Ausführungsform hat die pn-Diode 103a, 103b eine gegebene Gesamt-pn-Übergangsfläche und die Schottky-Diode 104a, 104b hat eine gegebene Gesamt-Schottky-Übergangsfläche. Das Verhältnis zwischen der Gesamt-pn-Übergangsfläche der pn-Diode 103a, 103b und der Gesamt-Schottky-Übergangsfläche der Schottky-Diode 104a, 104b ist zwischen etwa 0,08 und etwa 0,3.
  • Die Gesamt-Übergangsfläche der jeweiligen Dioden definiert den Querschnitt der jeweiligen Bauelemente, durch den Strom fließen kann. Wenn zum Beispiel eine Diode mehrere Zellen enthält, entspricht die Summe der Übergangsflächen aller Zellen der Gesamt-Übergangsfläche der Diode.
  • 8A zeigt ein spezifisches Beispiel, wobei 862 die Charakteristik einer SiC-Schottky-Diode zeigt und 861 die Charakteristik einer Si pin-Diode zeigt, während 8B einen vergrößerten Abschnitt von 8A im Bereich von 0V bis 1V zeigt. Die Si pin-Diode enthält ein intrinsisches Gebiet zwischen der Anode und der Kathode und ist ein Beispiel von pn-Dioden, die als Freilaufdioden verwendet werden können. Die grundlegende Eigenschaft, die in 8A und 8B für die pin-Diode dargestellt ist, gilt auch für pn-Dioden. Der Begriff „pn-Diode“ wird hier für pn-Dioden und pin-Dioden verwendet. Typischerweise sind pn- Leistungsdioden vom pin-Typ, wobei sich „i“ auf eine nieder dotierte n-Schicht, auch als Basisschicht bezeichnet, bezieht.
  • Bei einem Nennstrom von etwa 400 A/cm2 führt die pin-Diode etwa 100 A/cm2. Sowohl die SiC-Schottky-Diode wie auch die pin-Diode haben eine Blockierungsnennspannung von 1200 V. Die Schwellenspannung der SiC-Schottky-Diode ist etwa 0,85 V und die Schwellenspannung der pin-Diode ist etwa 0,7 V. Somit führt bei Spannungen unter der Schwellenspannung der SiC-Schottky-Diode die pin-Diode den gesamten Strom. Ferner wird die pin-Diode selbst bei geringem Strom geflutet, so dass die Dämpfungswirkung der pin-Diode während der Anfangsphase des Schaltens besonders ausgeprägt ist.
  • Ein IGBT, der als Leistungsschaltbauelement geeignet ist, ist in 2 dargestellt. Der IGBT ist in einem Halbleiterkörper 210 gebildet, der eine monokristalline Trägerschicht 218 und ein Epitaxialgebiet 290 enthalten kann, das auf der monokristallinen Trägerschicht 218 gebildet ist. Die monokristalline Trägerschicht 218 bildet hier ein p-dotiertes Emittergebiet 218. Das Expitaxialgebiet 290 enthält ein nieder n-dotiertes Drift- oder Basisgebiet 213 und ein optionales Feld-Stoppgebiet 216 zwischen dem Driftgebiet 213 und dem Emittergebiet 218. Das Feld-Stoppgebiet 216 ist auch n-dotiert, hat aber eine höhere Dotierungskonzentration als das Drift- oder Basisgebiet 213. P-dotierte p-Bodygebiete 214 und hoch n-dotierte Sourcegebiete 217 sind in das Drift- oder Basisgebiet 213 diffundiert. Die Bodygebiete 214 bilden pn-Übergänge 215 mit dem Drift- oder Basisgebiet 213. Auf der Epitaxialschicht 290 und über den p-Bodygebieten 214 sind Gateelektroden 241 vorgesehen, die von der Epitaxialschicht 290 durch ein Gatedielektrikum 242 isoliert sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist es möglich, anstelle von Epitaxialprozessen für die Herstellung des n-dotierten Drift- oder Basisgebiets 213 auch eine Halbleiterträgerschicht hoher Widerstandsfähigkeit zu verwenden, die aus der Wafer-Rückseite nach Vollendung der Vorderseitenprozesse, z.B. der Bildung der Sourcegebiete 217 und Bodygebiete 214, gedünnt wird. Nach den Dünnungsprozessen werden das rückseitige Emittergebiet 218 und die optionale Feld-Stoppschicht 216 z.B. durch Ionenimplantation und Temperprozesse bearbeitet.
  • Die p-Bodygebiete 214 und die Sourcegebiete 217 sind elektrisch mit einer ersten Metallisierung 240 verbunden, die hier einen Emitteranschluss bildet. Das Emittergebiet 218 steht mit einer Metallschicht 230 in elektrischem Kontakt, die hier einen Kollektoranschluss des IGBT bereitstellt.
  • 3 zeigt eine Freilaufeinheit gemäß einer Ausführungsform, die eine einzelne pn-Diode 303 und eine einzelne Schottky-Diode 304 enthält, die elektrisch parallel miteinander verbunden sind. Da die pn-Diode 303 und die Schottky-Diode 304 in verschiedene Halbleitermaterialien integriert sind, sind beide typischerweise getrennte Komponenten, die im Leistungsschaltmodul kombiniert werden können.
  • 4 zeigt eine Freilaufeinheit gemäß einer Ausführungsform, die eine einzelne pn-Diode 403 und drei Schottky-Dioden 404 enthält, die alle elektrisch parallel miteinander verbunden sind. Getrennte Sic-Schottky-Dioden 404 ermöglichen eine leichte Einstellung des Verhältnisses der Gesamt-pn-Übergangsfläche der pn-Diode 403 zur Gesamt-Schottky-Übergangsfläche der Schottky-Dioden 404. Zum Beispiel definiert die Summe der Schottky-Übergangsflächen der drei Schottky-Dioden 404 die Gesamt-Schottky-Übergangsfläche der Schottky-Diode wie oben angegeben. Die drei Schottky-Dioden 404 bilden somit gemeinsam die Schottky-Diode der Freilaufeinheit.
  • Eine Kombination separater kleiner Schottky-Dioden 404 verhindert auch, dass eine einzige große Schottky-Diode erforderlich ist. Da SiC schwierig zu verarbeiten ist, ist eine große Schottky-Diode für gewöhnlich teurer als eine Gruppe kleinerer Sic-Schottky-Dioden, die dieselbe Gesamt-Schottky-Übergangsfläche liefert wie die eine große Schottky-Diode. Dies erleichtert auch den Austausch defekter Dioden und ermöglicht eine leichtere Skalierung. Es sollte hier erwähnt werden, dass die Anzahl der Schottky-Dioden 404 und der pn-Dioden 403 nicht auf die hier angegebenen Werte beschränkt ist, sondern jeden Wert annehmen kann.
  • 5 zeigt eine Freilaufeinheit gemäß einer Ausführungsform, die eine einzelne pn-Diode 503 und eine Induktivität 506 enthält, die miteinander in Reihe miteinander verbunden sind. Die Freilaufeinheit enthält ferner mehrere Schottky-Dioden 504, zum Beispiel drei Schottky-Dioden 504, wie in 5 dargestellt. Jede der Schottky-Dioden 504 ist elektrisch parallel mit der Induktivität 506 und der Diode 503 verbunden. Die Induktivität 506 stellt eine weitere Option zur Anpassung des Schaltverhaltens der pn-Diode 503 bereit und somit zur Verringerung der Oszillationen. Zum Beispiel kann die Kommutierungssteilheit, d.h. di/dt, durch die Induktivität 506 weiter verringert werden, so dass allgemein verwendete pn-Dioden 503 verwendet werden können, selbst wenn die Erholungseigenschaften nicht innerhalb des oben angegebenen Bereichs liegen.
  • Die Induktivität 506 kann ein konzentriertes Element sein. Die Induktivität 506 kann auch durch einen Abschnitt der elektrischen Verbindung zwischen oder innerhalb der Freilaufeinheit gebildet werden. Zum Beispiel kann die Verwendung langer Bonddrähte für besondere Anwendungen ausreichend sein. Ein Bonddraht mit einer Länge von etwa 1 cm hat eine Induktivität von etwa 10 nH. Die Anpassung der Länge des Bonddrahtes im pn-Diodenzweig der Freilaufeinheit führt zu einer anderen Kommutierungssteilheit di/dt im pn-Diodenzweig der Freilaufeinheit.
  • Bonddrähte können auch im Schottky-Diodenzweig der Freilaufeinheit verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Länge eines Bonddrahtes im Schottky-Diodenzweig der Freilaufeinheit anders als die Länge eines Bonddrahtes im pn-Diodenzweig der Freilaufeinheit, um beiden Zweigen eine unterschiedliche Kommutierungssteilheit zu verleihen. Zum Beispiel ist die Länge eines ersten Bonddrahtes, der elektrisch mit der Schottky-Diode verbunden ist, 30% bis 200% der Länge eines zweiten Bonddrahtes, der elektrisch mit der pn-Diode verbunden ist. Zum Beispiel kann die Kommutierungssteilheit di/dt im pn-Diodenzweig um einen Faktor von etwa 2 mit Bonddrähten unterschiedlicher Länge verringert werden, indem zum Beispiel ein Bonddraht im pn-Diodenzweig bereitgestellt wird, der länger ist als ein Bonddraht im Schottky-Diodenzweig.
  • Das Soft-Recovery-Verhalten der pn-Diode und die Amplitude des Schweifstroms können auch eingestellt werden, zum Beispiel durch Anpassen der Dicke des Halbleitermaterials, des Dotierungsprofils eines Feld-Stoppgebiets oder der Lebensdauer der Ladungsträger. Beispiele werden in Verbindung mit den folgenden Ausführungsformen erklärt.
  • 6 zeigt eine Ausführungsform einer pn-Diode, die in eine Halbleiterträgerschicht wie Silizium integriert ist. Die Halbleiterträgerschicht enthält ein hoch n-dotiertes Kathodengebiet 619 in Kontakt mit einem nieder n-dotierten Drift- oder Basisgebiet 613. Das Drift- oder Basisgebiet 613 kann auch ein intrinsisch dotiertes Gebiet sein. Ein p-dotiertes Anodengebiet 614 ist in die Drift- oder Basisgebiet 613 diffundiert und bildet einen pn-Übergang 615 mit dem Drift- oder Basisgebiet 613. Ein optionales Feld-Stoppgebiet kann im Drift- oder Basisgebiet 613 nahe dem Kathodengebiet 619 auf ähnliche Weise wie in Verbindung mit 2 beschrieben gebildet werden. Das Kathodengebiet 619 steht mit einer Kathodenmetallisierung 630 in elektrischem Kontakt, während das Anodengebiet 614 mit einer Anodenmetallisierung 640 in elektrischem Kontakt steht.
  • Dotierte Gebiete 617, die höher dotiert sind als das Anodengebiet 614, können in das Anodengebiet 614 integriert werden, um die Emittereffizienz des Anodengebiets 614 zu erhöhen. Das Steuern der Emittereffizienz ist eine Option zur Einstellung der Ladungsträgerverteilung innerhalb des Drift- oder Basisgebiets 613 während des leitenden Zustands, wodurch das Erholungsverhalten der pn-Diode direkt beeinflusst wird.
  • Die oben beschriebene Maßnahme kann mit Lebensdauereinstellmaßnahmen wie Implantation von Rekombinationszentren kombiniert werden.
  • Anschließend wird ein Beispiel beschrieben. Zur Anpassung der Ladungsträgerlebensdauer können Heliumionen in das Anodengebiet 614 implantiert werden, kombiniert mit einer Elektronenbestrahlung in der Basis 613 und einem anschließenden Temperprozess bei Temperaturen, die typischerweise im Bereich von etwa 250°C bis etwa 380°C liegen. Eine weitere Option ist die Implantation von Platin oder Gold, die typischerweise in das Drift- oder Basisgebiet 613 mit einem anschließenden Temperprozess bei Temperaturen, die typischerweise im Bereich von etwa 700°C bis etwa 900°C liegen, implantiert werden. Unabhängig von der tatsächlichen Implantation können die Rekombinationszentren, die durch die implantierten Unreinheiten gebildet werden, ein bestimmtes vertikales Dotierungsprofil aufweisen, um die Trägerlebensdauer lokal einzustellen.
  • Rekombinationszentren ermöglichen eine sehr feine Steuerung verschiedener elektrischer Parameter von pn-Dioden. Insbesondere kann der Spitzenrückstrom IRPM durch Einführen von Rekombinationszentren eingestellt werden, so dass der Spitzenrückstrom IRPM leicht abgestimmt werden kann, so dass er in dem oben angegebenen Bereich relativ zur kapazitiven Stromspitze Id,peak der Schottky-Diode liegt.
  • Zum Beispiel kann die Dosis einer Heliumimplantation für eine Soft-Recovery-Diode etwa 7*1011 cm-2 sein. Für einen höheren IRRM kann die Dosis z.B. auf einen Wert von 2*1011 cm-2 bis 4*1011 cm-2 gesenkt werden. Für einen niedereren IRRM kann die Dosis auf den Bereich 9*1011 cm-2 bis 1,7*1012 cm-2 erhöht werden, wenn die Temperbedingungen dieselben sind. Eine weitere Möglichkeit ist, die Dosis der Heliumimplantation konstant zu halten und die Temperbedingungen zu variieren. Eine geringere Tempertemperatur verringert IRRM. Eine höhere Tempertemperatur erhöht IRRM und, falls eine Elektronenbestrahlung für die Trägerlebensdauereinstellung in der Basis 613 verwendet wird, bietet dies einen ausgeprägteren und stärker dämpfenden Schweifstrom.
  • Die Konzentration der Rekombinationszentren wird typischerweise so eingestellt, dass die Trägerlebensdauerwerte in dem Gebiet, das die Rekombinationszentren enthält, in einem Bereich z.B. von etwa 100 nm bis etwa 10 µs eingestellt sind.
  • 7A und 7B zeigen ein integriertes Leistungsschaltmodul gemäß einer Ausführungsform. 7B zeigt die Struktur, während 7A das elektrische Symbol zeigt. Das Modul enthält mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement 701 mit drei Anschlüssen, die hier als IGBT 701 verkörpert ist, und mindestens eine pn-Diode 703, die beide in dieselbe Halbleiterträgerschicht 210a integriert sind, die als erste Halbleiterträgerschicht 210a bezeichnet wird. Der IGBT 701 hat eine ähnliche Anordnung wie jener, der in 2 dargestellt ist, und enthält ein hoch p-dotiertes Emittergebiet 718, ein schwach n-dotiertes Drift- oder Basisgebiet 713 und ein n-dotiertes Feld-Stoppgebiet 716, das eine höhere Dotierungskonzentration als das Drift- oder Basisgebiet 713 hat und zwischen dem Emittergebiet 718 und dem Drift- oder Basisgebiet 713 angeordnet ist. P-dotierte Bodygebiete 714, die pn-Übergänge 715 mit dem Drift- oder Basisgebiet 713 bilden, sind in das Drift- oder Basisgebiet 713 integriert und hoch dotierte Sourcegebiete 717 sind in die Bodygebiete 714 integriert.
  • Eine Emittermetallisierung 740 ist auf der Oberseite der ersten Halbleiterträgerschicht 210a gebildet. Die Emittermetallisierung 740 steht durch Kontaktstecker 745 mit den Sourcegebieten 717 und Bodygebieten 714 in ohmschen Kontakt. Zur Verbesserung des ohmschen Kontakts mit den Bodygebieten 714 sind hoch p-dotierte Kontaktgebiete 746 am Boden der Kontaktstecker 745 gebildet. Eine Kollektormetallisierung 730 steht mit dem Emittergebiet 718 in ohmschen Kontakt.
  • Gateelektroden 741, die von den Bodygebieten 714 durch entsprechende dielektrische Gateschichten 742 isoliert sind, sind bereitgestellt, um eine Bildung von Inversionskanälen zwischen den Sourcegebieten 717 und dem Driftgebiet 713 zu bilden. Eine dicke Isolierschicht 743 isoliert die Gateelektroden 741 von der Emittermetallisierung 740.
  • Wie in 7B dargestellt, ist die pn-Diode 703 in den IGBT 701 durch Bereitstellen eines hoch n-dotierten Kathodengebiets 719 integriert, das einen ohmschen Kontakt zwischen der Kollektormetallisierung und dem Feld-Stoppgebiet 716 bereitstellt. Die Anode der pn-Diode 703 wird durch die Bodygebiete 714 gebildet, die mit der Emittermetallisierung 740 durch die Kontaktstecker 745 und die Kontaktgebiete 746 in ohmschem Kontakt stehen.
  • Getrennt von der ersten Halbleiterträgerschicht 210a ist eine zweite Halbleiterträgerschicht 210b bereitgestellt, in die eine Schottky-Diode 704 integriert ist. Die zweite Halbleiterträgerschicht 210b besteht aus einem anderen Halbleitermaterial als die erste Halbleiterträgerschicht 210a. In der vorliegenden Ausführungsform ist das erste Halbleitermaterial Silizium und das zweite Halbleitermaterial ist SiC, ohne darauf beschränkt zu sein.
  • Die Schottky-Diode 704 enthält ein hoch n-dotiertes Kathodengebiet 782 und ein schwach n-dotiertes Drift- oder Basisgebiet 781. Das Driftgebiet 781 steht mit einer Anodenmetallisierung 784 in Kontakt und bildet einen Metall-Halbleiter-Übergang 785. Das Kathodengebiet 782 steht mit einer Kathodenmetallisierung 783 in ohmschem Kontakt.
  • Sowohl die Schottky-Diode 704 wie auch der IGBT 701 mit der integrierten pn-Diode 703 sind auf einer gemeinsamen leitenden Leiterstruktur 750 angeordnet, die die Kollektormetallisierung 730 mit der Kathodenmetallisierung 783 verbindet und die einen gemeinsamen Kollektoranschluss C bildet. Dies führt zu einer geringeren Induktanz zwischen der integrierten pn-Diode 703 und der Schottky-Diode 704 und einer höheren Zuverlässigkeit der Schaltung. Die Anodenmetallisierung 784 und die Emittermetallisierung 740 sind auch elektrisch miteinander verbunden, zum Beispiel durch Bonddrähte, wodurch ein gemeinsamer Emitteranschluss E gebildet wird.
  • Durch Implmentierung einer Induktivität zwischen Metallisierung 740 und dem Anschluss E kann dieselbe Wirkung wie bei 5 beschrieben erreicht werden.
  • Durch Anpassen der Gesamt-Übergangsfläche der pn-Diode 703 und der Schottky-Diode 704 können die oben beschriebenen Verhältnisse eingestellt werden. Zum Beispiel kann nur ein Teil der Gesamtfläche des IGBT mit n-dotierten Kathodengebieten 719 implementiert werden. Diese Fläche definiert dann die pn-Diode, wobei ein Verhältnis zwischen der Gesamt-pn-Übergangsfläche der pn-Diode und der Gesamt-Schottky-Übergangsfläche der Schottky-Diode zwischen etwa 0,08 und 0,3 liegt.
  • Mit einer positiven Spannung VG am Gateanschluss G kann der IRRM der integrierten pn-Diode feinabgestimmt werden. Wenn ein solches Signal vor dem Abschalten eingestellt wird, injiziert das Sourcegebiet 717 Elektronen und verringert die Anodenemittereffizienz der Diode. In einem sehr kurzen Moment td vor dem Abschalten der Diode wird die Spannung VG wieder auf null gesetzt. Durch Einstellen von td zwischen 1 ns und 10 µm kann der IRRM abgestimmt werden. Je kürzer td, umso geringer IRRM.
  • Während die zuvor beschriebenen Ausführungsformen spezifische Dotierungsverhältnisse haben, sollte dies nicht als einschränkend angesehen werden. Zum Beispiel sind auch umgekehrte Dotierungsverhältnisse möglich. Zum Beispiel können die Driftgebiete, Feld-Stoppgebiete, die Kathodengebiete und die Sourcegebiete p-dotiert sein, während die Bodygebiete, die Anodengebiete und Emittergebiete n-dotiert sein können.
  • Ferner kann das Halbleitermaterial aus jedem Halbleitermaterial bestehen, das zur Herstellung eines Halbleiterbauelement geeignet ist. Beispiele für solche Materialien enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein, elementare Halbleitermaterialien wie Silizium (Si), zusammengesetzte Halbleitermaterial der Gruppe IV, wie Siliziumcarbid (SiC) oder Siliziumgermanium (SiGe), binäre, ternäre oder quarternäre III-V Halbleitermaterialien, wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumgalliumphosphid (InGaPa) oder Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP), und binäre oder ternäre II-VI Halbleitermaterialien, wie Cadmiumtellurid (CdTe) und Quecksilbercadmiumtellurid (HgCdTe), um einige zu nennen. Die oben genannten Halbleitermaterialien werden auch als Homoübergang-Halbleitermaterialien bezeichnet. Wenn zwei verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert werden, wird ein Heteroübergang-Halbleitermaterial gebildet. Beispiele für Heteroübergang-Halbleitermaterialien enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Silizium-Siliziumcarbid (Si-SiC) und Heterogang-Halbleitermaterial der SiGe-Güte. Für Leistungshalbleiteranwendungen werden gegenwärtig vorwiegend Si, SiC und Si-SiC Materialien verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung ist nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt.

Claims (29)

  1. Leistungsschaltmodul, aufweisend: ein Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen, das für einen Nennstrom ausgelegt ist; und eine Freilaufeinheit (108a, 108b), aufweisend eine pn-Diode (103a, 103b), die in ein erstes Halbleitermaterial (210a) mit einer ersten Bandlücke integriert ist, und eine Schottky-Diode (104a, 104b), die in ein zweites Halbleitermaterial (210b) mit einer zweiten Bandlücke integriert ist, wobei die zweite Bandlücke größer ist als die erste Bandlücke; wobei die Schottky-Diode (104a, 104b) elektrisch parallel mit der pn-Diode (103a, 103b) verbunden ist, und wobei die pn-Diode (103a, 103b) betreibbar ist, um einen Spitzenrückstrom beim Nennstrom des Leistungshalbleiterbauelements (101a, 101b) zu tragen, der vom 0,5-fachen bis 1,8-fachen einer kapazitiven Stromspitze der Schottky-Diode (104a, 104b) reicht.
  2. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate ist.
  3. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 2, wobei die Freilaufeinheit (108a, 108b) anti-parallel mit dem bipolaren Transistor mit isoliertem Gate (101a, 101b) verbunden ist.
  4. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Halbleitermaterial (210a) Silizium ist.
  5. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Halbleitermaterial (210b) Siliziumcarbid ist.
  6. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die pn-Diode (103a, 103b) einen pn-Übergang (615) aufweist, der durch ein p-dotiertes Gebiet (614) und ein n-dotiertes Gebiet (613) gebildet wird und wobei das p-dotierte Gebiet (614) eine höhere Dichte an Rekombinationszentren aufweist als das n-dotierte Gebiet (613).
  7. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 6, wobei die Rekombinationszentren durch implantierte Heliumionen gebildet werden.
  8. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 6, wobei die Rekombinationszentren durch mindestens eines von einer Golddotierung und Platindotierung gebildet werden.
  9. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Freilaufeinheit (108a, 108b) des Weiteren eine Induktivität (105, 106) aufweist, die in Reihe mit der pn-Diode (103a, 103b) verbunden ist.
  10. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die pn-Diode (103a, 103b) einen pn-Übergang (615) aufweist, der durch ein p-dotiertes Anodengebiet (614) und ein n-dotiertes Driftgebiet (613) gebildet wird, wobei ein hoch p-dotiertes Gebiet (617), das im p-dotierten Anodengebiet (614) integriert ist, eine höhere Dotierungskonzentration hat als das p-dotierte Anodengebiet (614).
  11. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die pn-Diode (103a, 103b) eine Gesamt-pn-Übergangsfläche hat und die Schottky-Diode (104a, 104b) eine Gesamt-Schottky-Übergangsfläche hat und wobei ein Verhältnis zwischen der Gesamt-pn-Übergangsfläche und der Gesamt-Schottky-Übergangsfläche von 0,08 bis 0,3 ist.
  12. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die pn-Diode (103a, 103b) und das Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen in einen einzigen Halbleiterkörper (210a) integriert sind.
  13. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, des Weiteren aufweisend: einen ersten Bonddraht, der elektrisch mit der Schottky-Diode (104a, 104b) verbunden ist; und einen zweiten Bonddraht, der elektrisch mit der pn-Diode (103a, 103b) verbunden ist, wobei die Länge des ersten Bonddrahtes 30% bis 200% der Länge des zweiten Bonddrahtes ist.
  14. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, des Weiteren aufweisend: eine gemeinsame leitende Leiterstruktur (750), die elektrisch mit einer Kollektormetallisierung (730) des Leistungshalbleiterbauelements (101a, 101b) und mit einer Kathodenmetallisierung (783) der Schottky-Diode (104a, 104b) verbunden ist, um einen gemeinsamen Kollektoranschluss (C) des Leistungsschaltmoduls zu bilden.
  15. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die pn-Diode (103a, 103b) betreibbar ist, um einen Spitzenrückstrom beim Nennstrom des Leistungshalbleiterbauelements (101a, 101b) zu tragen, der vom 0,7-fachen bis 1,5-fachen einer kapazitiven Stromspitze der Schottky-Diode (104a, 104b) reicht.
  16. Leistungsschaltmodul, aufweisend: ein Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen; und eine Freilaufeinheit (108a, 108b), aufweisend eine pn-Diode (103a, 103b), die in ein erstes Halbleitermaterial (210a) mit einer ersten Bandlücke integriert ist, und eine Schottky-Diode (104a, 104b), die in ein zweites Halbleitermaterial (210b) mit einer zweiten Bandlücke integriert ist, wobei die zweite Bandlücke größer ist als die erste Bandlücke; wobei die Schottky-Diode (104a, 104b) elektrisch parallel zur pn-Diode (103a, 103b) angeschlossen ist, wobei die pn-Diode (103a, 103b) eine Gesamt-pn-Übergangsfläche hat, wobei die Schottky-Diode (104a, 104b) eine Gesamt-Schottky-Übergangsfläche hat, wobei ein Verhältnis zwischen der Gesamt-pn-Übergangsfläche und der Gesamt-Schottky-Übergangsfläche von 0,08 bis 0,3 ist, und wobei ein Verhältnis zwischen einem Strom durch die pn-Diode (103a, 103b) und einem Strom durch die Schottky-Diode (104a, 104b) von 0,05 bis 0,25 für einen gegebenen Gesamtstrom durch die pn-Diode und die Schottky-Diode (104a, 104b) ist.
  17. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 16, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate ist.
  18. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 17, wobei die Freilaufeinheit (108a, 108b) anti-parallel mit dem bipolaren Transistor mit isoliertem Gate (101a, 101b) verbunden ist.
  19. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die pn-Diode (103a, 103b) einen pn-Übergang (615) aufweist, der durch ein p-dotiertes Gebiet (614) und ein n-dotiertes Gebiet (613) gebildet ist, und wobei das p-dotierte Gebiet (614) Rekombinationszentren aufweist.
  20. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Freilaufeinheit (108a, 108b) des Weiteren eine Induktivität (105) aufweist, der in Reihe mit der pn-Diode (103a, 103b) verbunden ist.
  21. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die pn-Diode (103a, 103b) einen pn-Übergang (615) aufweist, der durch ein p-dotiertes Anodengebiet (614) und ein n-dotiertes Driftgebiet (613) gebildet ist, wobei ein hoch p-dotiertes Gebiet (617), das im p-dotierten Anodengebiet (614) integriert ist, eine höhere Dotierungskonzentration hat als das p-dotierte Anodengebiet (614).
  22. Leistungsschaltmodul, aufweisend: ein Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen; und eine Freilaufeinheit (108a, 108b), aufweisend eine pn-Diode (103a, 103b), die in ein erstes Halbleitermaterial (210a) mit einer ersten Bandlücke integriert ist, eine Induktivität (105), die elektrisch in Reihe mit der pn-Diode (103a, 103b) verbunden ist, und eine Schottky-Diode (104a, 104b), die in ein zweites Halbleitermaterial (210b) mit einer zweiten Bandlücke integriert ist, wobei die zweite Bandlücke größer ist als die erste Bandlücke und wobei die Schottky-Diode (104a, 104b) elektrisch parallel mit der pn-Diode (103a, 103b) und mit der Induktivität (105) verbunden ist.
  23. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 22, wobei die pn-Diode (103a, 103b) eine Gesamt-pn-Übergangsfläche hat und die Schottky-Diode (104a, 104b) eine Gesamt-Schottky-Übergangsfläche hat und wobei ein Verhältnis zwischen der Gesamt-pn-Übergangsfläche und der Gesamt-Schottky-Übergangsfläche von 0,08 bis 0,3 ist.
  24. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 22 oder 23, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate ist.
  25. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 24, wobei die Freilaufeinheit (108a, 108b) anti-parallel mit dem bipolaren Transistor mit isoliertem Gate (101a, 101b) verbunden ist.
  26. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei die pn-Diode (103a, 103b) einen pn-Übergang (615) aufweist, der durch ein p-dotiertes Gebiet (614) und ein n-dotiertes Gebiet (613) gebildet ist, und wobei das p-dotierte Gebiet (614) Rekombinationszentren aufweist.
  27. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei die pn-Diode (103a, 103b) einen pn-Übergang (615) aufweist, der durch ein p-dotiertes Anodengebiet (614) und ein n-dotiertes Driftgebiet (613) gebildet ist, wobei ein n-dotiertes Gebiet (619), das eine höhere Dotierungskonzentration als das n-dotierte Driftgebiet (613) hat, einen ohmschen Kontakt zwischen einer Kathodenmetallisierung (630) und dem n-dotierten Driftgebiet (613) bereitstellt.
  28. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsschaltmoduls, aufweisend: Bereitstellen eines Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen, die einen Nennstrom hat; Bereitstellen einer Schottky-Diode (104a, 104b), die in ein zweites Halbleitermaterial (210b) mit einer zweiten Bandlücke integriert ist; Bereitstellen einer pn-Diode (103a, 103b), die in ein erstes Halbleitermaterial (210a) mit einer ersten Bandlücke integriert ist, wobei die erste Bandlücke kleiner ist als die zweite Bandlücke, wobei die pn-Diode (103a, 103b) einen Spitzenrückstrom beim Nennstrom des Leistungshalbleiterbauelements (101a, 101b) hat, der vom 0,5-fachen bis 1,8-fachem der kapazitiven Stromspitze der Schottky-Diode (104a, 104b) reicht; elektrisches Verbinden der Schottky-Diode (104a, 104b) parallel mit der pn-Diode (103a, 103b) zur Bildung einer Freilaufeinheit (108a, 108b); und elektrisches Verbinden der Freilaufeinheit (108a, 108b) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (101a, 101b) mit drei Anschlüssen zur Bildung des Leistungsschaltmoduls.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei die pn-Diode (103a, 103b) einen Spitzenrückstrom beim Nennstrom des Leistungshalbleiterbauelements (101a, 101b) hat, der vom 0,7-fachen bis 1,5-fachem der kapazitiven Stromspitze der Schottky-Diode (104a, 104b) reicht.
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