DE102014107833B4 - Halbleiterbauelement mit selbstladenden Feldelektroden - Google Patents

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    • H01L29/7831—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with multiple gate structure
    • H01L29/7832—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with multiple gate structure the structure comprising a MOS gate and at least one non-MOS gate, e.g. JFET or MESFET gate

Abstract

Halbleiterbauelement, das aufweist: eine Driftzone (11) von einem ersten Dotierungstyp; einen Übergang (12) zwischen der Driftzone (11) und einer Bauelementzone (13); mehrere Feldelektrodenstrukturen (20), die in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements beabstandet zueinander in der Driftzone (11) angeordnet sind, wobei jede der mehreren Feldelektrodenstrukturen (20) eine Feldelektrode (21) aufweist; und eine Kopplungszone (17) von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp, wobei die Kopplungszone (17) elektrisch an die Bauelementzone (13) und die Feldelektrode (21) jeder der mehreren Feldelektrodenstrukturen (20) gekoppelt ist, wobei jede der mehreren Feldelektrodenstrukturen weiterhin aufweist: ein Feldelektrodendielektrikum (22), das an die Feldelektrode (21) angrenzt, zwischen der Feldelektrode (21) und der Driftzone (11) angeordnet ist und eine Öffnung (26) aufweist, und wenigstens eines von einer Feldstoppzone (23) und einer Generationszone (50).

Description

  • Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement.
  • Leitungshalbleiterbauelemente wie beispielsweise MOS-Transistoren oder Leistungsdioden weisen eine Driftzone auf und im Fall eines MOS-Transistors einen pn-Übergang zwischen der Driftzone und einer Bodyzone und im Fall einer Diode zwischen der Driftzone und einer Emitterzone. Die Dotierungskonzentration der Driftzone ist geringer als die Dotierungskonzentration der Body- und Emitterzone, so dass sich eine Verarmungszone (Raumladungszone) hauptsächlich in die Driftzone erstreckt, wenn das Bauelement sperrt, was der Fall ist, wenn der pn-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt ist.
  • Die Abmessung der Driftzone in einer Stromflussrichtung des Bauelements und die Dotierungskonzentration der Driftzone bestimmen hauptsächlich das Spannungssperrvermögen des Halbleiterbauelements. Bei einem unipolaren Bauelement wie beispielsweise einem Leistungs-MOSFET bestimmt die Dotierungskonzentration der Driftzone außerdem den Einschaltwiderstand des Bauelements, bei dem es sich um den elektrischen Widerstand des Halbleiterbauelements im eingeschalteten Zustand handelt.
  • Wenn der pn-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt ist, werden Dotierstoffatome auf beiden Seiten des pn-Übergangs ionisiert, was zu einer Raumladungszone führt, die mit einem elektrischen Feld einhergeht. Das Integral des Betrags der Feldstärke des elektrischen Feldes korrespondiert mit der Spannung, die den pn-Übergang in Rückwärtsrichtung vorspannt, wobei sich das Maximum des elektrischen Feldes am pn-Übergang befindet. Wenn das Maximum des elektrischen Feldes eine kritische Feldstärke erreicht, die von der Art des Halbleitermaterials abhängt, das zur Implementierung der Driftzone verwendet wird, tritt ein Lawinendurchbruch auf.
  • Die Dotierungskonzentration der Driftzone kann erhöht werden, ohne die Sperrspannungsfestigkeit des Bauelements zu verringern, wenn in der Driftzone Ladungen bereitgestellt werden, die, wenn der pn-Übergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt wird, als Gegenladungen zu den ionisierten Dotierstoffatomen in der Driftzone wirken können, was der Fall ist, wenn sich eine Verarmungszone in die Driftzone erstreckt.
  • Gemäß einem bekannten Konzept sind Feldelektroden oder Feldplatten in der Driftzone vorgesehen, und durch ein Feldelektrodendielektrikum dielektrisch von der Driftzone isoliert. Diese Feldelektroden können die erforderlichen Gegenladungen bereitstellen.
  • Gemäß einem bekannten Konzept sind diese Feldelektroden an ein festes elektrisches Potential wie beispielsweise bei einem MOSFET ein Gate- oder Source-Potential, angeschlossen. Allerdings kann dies zu einer hohen Spannung zwischen der Feldelektrode und denjenigen Zonen der Driftzone führen, die sich bei einem MOSFET in der Nähe der Drainzone befinden, so dass ein dickes Feldelektrodendielektrikum erforderlich wäre. Ein dickes Feldelektrodendielektrikum benötigt jedoch Platz.
  • Gemäß einem weiteren bekannten Konzept sind einige Feldelektroden in einer Stromflussrichtung der Driftzone beabstandet voneinander angeordnet und diese Feldelektroden werden an verschiedene Spannungsquellen angeschlossen, um diese Feldelektroden auf verschiedene Potentiale vorzuspannen. Die Implementierung der Spannungsquellen ist jedoch schwierig.
  • Gemäß noch einem anderen bekannten Konzept sind die Feldelektroden durch eine oberhalb des Halbleiterkörpers angeordnete Kontaktelektrode elektrisch an eine dotierte Halbleiterzone vom selben Leitungstyp wie die Driftzone angeschlossen. Diese „Kopplungszone“ ist durch eine Halbleiterzone von einem komplementären Dotierungstyp wenigstens teilweise gegenüber der Driftzone abgeschirmt.
  • Gemäß noch einem anderen bekannten Konzept weist die Driftzone Kompensationszonen auf, die komplementär zur Driftzone dotiert und elektrisch mit der Bodyzone gekoppelt sind.
  • Die DE 10 2012 217 626 A1 beschreibt ein Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und mehreren in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements beabstandet zueinander in der Driftzone angeordneten Feldelektrodenstrukturen. Die Feldelektrodenstrukturen weisen jeweils eine Feldelektrode, ein Feldelektrodendielektrikum und eine von einer Feldstoppzone und einer Generationszone auf. Zwischen den einzelnen Feldelektrodenstrukturen und einer Bauelementzone, die mit der Driftzone einen pn-Übergang bildet, kann eine Abschirmzone in der Driftzone angeordnet sein, die beispielsweise ein Dielektrikum, eine Elektrode oder ein Halbleitergebiet eines zu einem Dotierungstyp der Driftzone komplementären Dotierungstyps aufweist.
  • Die DE 103 39 455 B3 zeigt in 12 einen MOS-Transistor mit einer Driftzone und mehreren in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements beabstandet zueinander in der Driftzone angeordneten Feldelektrodenstrukturen. Die Feldelektrodenstrukturen weisen jeweils eine Feldelektrode, ein Feldelektrodendielektrikum, und ein zwischen der Feldelektrode und der Driftzone angeordnetes Halbleitergebiet eines zu einem Dotierungstyp der Driftzone komplementären Dotierungstyps auf. Das Halbleitergebiet einer am nächsten zu einem Bodygebiet angeordneten Feldelektrodenstruktur grenzt außer an das Driftgebiet auch an das Bodygebiet an.
  • Die DE 10 2011 051 670 A1 beschreibt verschiedene Varianten eines MOS-Transistors, der eine Feldelektrode aufweist. Die Feldelektrode ist hierbei an eine Gateelektrode oder eine Sourceelektrode angeschlossen.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, bei einem Halbleiterbauelement mit einer Driftzone den Einschaltwiderstand zu verringern und das Spannungssperrvermögen zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Besondere Ausgestaltungen und Modifikationen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Fachleute werden beim Lesen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der Betrachtung der beigefügten Zeichnungen zusätzliche Eigenschaften und Vorteile erkennen.
  • Es werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Beispiele erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass nur die zum Verständnis des Grundprinzips erforderlichen Aspekte dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
  • 1 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel enthält;
  • 2 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel enthält;
  • 3 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel enthält;
  • 4 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel enthält;
  • 5 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel enthält;
  • 6 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel enthält;
  • 7 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel enthält;
  • 8 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem achten Ausführungsbeispiel enthält;
  • 9 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel enthält;
  • 10 zeigt Äquipotentiallinien in einem Halbleiterbauelement im Bereich der Feldelektrodenstruktur wenn das Halbleiterbauelement sperrt;
  • 11 zeigt eine streifenförmige Feldelektrodenstruktur;
  • 12 zeigt eine säulenförmige Feldelektrodenstruktur;
  • 13 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das eine Vielzahl von Feldelektrodenstrukturen enthält die zueinander in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements in einer Reihe angeordnet sind;
  • 14 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das eine Vielzahl von Feldelektrodenstrukturen enthält, die in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung versetzt angeordnet sind;
  • 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das eine Vielzahl von Feldelektrodenstrukturen aufweist;
  • 16, welche 16A bis 16D enthält, veranschaulicht weitere Ausführungsbeispiele einer Feldelektrode und eines Feldelektrodendielektrikums der Feldelektrodenstruktur;
  • 17 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das als Transistor implementiert ist;
  • 18 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das als Transistor implementiert ist;
  • 19 veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das als Transistor implementiert ist;
  • 20 veranschaulicht ein viertes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das als Transistor implementiert ist;
  • 21 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das als Diode implementiert ist;
  • 22 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelements, das eine Kopplungszone aufweist, die an eine Bauelementzone gekoppelt ist und die an die wenigstens eine Feldelektrodenstruktur angrenzt;
  • 23 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht des in 22 gezeigten Halbleiterbauelements;
  • 24 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht des in 22 gezeigten Halbleiterbauelements;
  • 25 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
  • 26 veranschaulicht im Detail ein Ausführungsbeispiel einer Feldelektrodenstruktur des in den 22 bis 24 gezeigten Halbleiterbauelements;
  • 27 veranschaulicht im Detail ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Feldelektrodenstruktur des in den 22 bis 24 gezeigten Halbleiterbauelements;
  • 28 veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht der in 24 gezeigten horizontalen Querschnittsansicht;
  • 29 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelements, das eine Kopplungszone enthält, die an eine Bauelementzone gekoppelt ist und die an die wenigstens eine Feldelektrodenstruktur angrenzt; und
  • 30 veranschaulicht eine Feldelektrodenstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug genommen auf die beigefügten Figuren, die einen Teil von dieser darstellen und in denen anhand der Illustration spezieller Ausführungsbeispiele gezeigt wird, auf welche Weise die Erfindung umgesetzt werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen, hierin beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden können, sofern nichts anderes angegeben ist.
  • 1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper 100, eine Driftzone 11 von einem ersten Dotierungstyp und einen Übergang 12 zwischen der Driftzone 11 und einer weiteren Bauelementzone 13. Der Übergang 12 ist entweder ein pn-Übergang oder ein Schottky-Übergang. Im ersten Fall ist die weitere Halbleiterzone 13 eine Halbleiterzone von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp. Im zweiten Fall ist die weitere Bauelementzone 13 eine Schottky-Zone oder ein Schottky-Metall wie beispielsweise Aluminium (Al), Wolframsilizid (WSi), Tantalsilizid (TaSi), Titansilizid (TiSi), Platinsilizid (PtSi), oder Kobaltsilizid (CoSi).
  • Die weitere Bauelementzone 13 ist elektrisch an eine erste Elektrode oder einen Anschluss 31 gekoppelt, und die Driftzone 11 ist elektrisch an eine zweite Elektrode oder einen zweiten Anschluss 32 gekoppelt oder damit verbunden. Diese ersten und zweiten Elektroden sind in 1 lediglich schematisch dargestellt.
  • Das Halbleiterbauelement weist weiterhin in der Driftzone 11 wenigstens eine Feldelektrodenstruktur 20 auf. Das Halbleiterbauelement kann weitere Bauelementmerkmale aufweisen wie beispielsweise eine Gateelektrode, wenn das Halbleiterbauelement als MOS-Transistor implementiert ist. Allerdings sind in 1 ebenso wie in den 2 bis 9 lediglich diejenigen Merkmale des Halbleiterbauelements gezeigt, die zum Verständnis der Wirkungsweise der in der Driftzone 11 angeordneten Feldelektrodenstruktur erforderlich sind. Diese Feldelektrodenstruktur 20 kann in jedem beliebigen Halbleiterbauelement eingesetzt werden, das eine Driftzone aufweist, wie beispielsweise die in 1 gezeigte Driftzone 11, und einen Übergang, wie beispielsweise einen in 1 gezeigten Übergang 12 zwischen der Driftzone 11 und der weiteren Bauelementzone. Halbleiterbauelemente, die eine Driftzone und einen Übergang zwischen einer Driftzone und einer weiteren Bauelementzone aufweisen, sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, MOS-Transistoren, wie z.B. MOSFETs (Metal Oxide Gate Field-Effect Transistors) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), p-i-n-Dioden, Schottky-Dioden, JFETs (Junction Field-Effect Transistors). Die Feldelektrodenstrukturen 20, wie sie unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 erläutert werden, können in vertikalen Bauelementen eingesetzt werden, bei denen eine Stromflussrichtung des Bauelements einer vertikalen Richtung eines Halbleiterkörpers des Bauelements entspricht, oder in lateralen Bauelementen, bei denen eine Stromflussrichtung des Bauelements einer lateralen (horizontalen) Richtung eines Halbleiterkörpers des Bauelements entspricht.
  • Bezugnehmend auf 1 weist die Feldelektrodenstruktur 20 eine Feldelektrode 21 und ein Feldelektrodendielektrikum 22 auf. Das Feldelektrodendielektrikum 22 grenzt an die Feldelektrode 21 an, ist zwischen der Feldelektrode 21 und der Driftzone 11 angeordnet und besitzt eine Öffnung 26, so dass das Feldelektrodendielektrikum 22 die Feldelektrode 21 innerhalb der Driftzone 11 nicht vollständig umgibt. Die Feldelektrodenstruktur 20 weist weiterhin eine Feldstoppzone 23 vom ersten Dotierungstyp auf und ist stärker dotiert als die Driftzone 11. Die Feldstoppzone 23 koppelt oder verbindet die Feldelektrode 21 an die bzw. mit der Driftzone 11 durch die Öffnung 26 des Feldelektrodendielektrikums. Die Dotierungskonzentration der Driftzone 11 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1014 cm–3 (1e14cm–3) und 1018 cm–3 (1e18cm–3). Die Dotierungskonzentration der Feldstoppzone liegt, beispielsweise, im Bereich zwischen 1016 cm–3 (1e16cm–3) und 1020 cm–3 (1e20cm–3). Die Dotierung der Feldstoppzone 23 ist dergestalt, dass die Feldstoppzone nicht vollständig von Ladungsträgern ausgeräumt werden kann, wenn die Verarmungszone, die sich in die Driftzone 11 erstreckt, die Feldstoppzone erreicht. Wenn der Halbleiterkörper 100 Silizium als Halbleitermaterial aufweist, kann die Feldstoppzone 23 nicht vollständig von Ladungsträgern ausgeräumt werden, wenn eine Dotierungsdosis in der Feldstoppzone höher ist als etwa 2·1012 cm–2 (2e12cm–2). Die Dotierungsdosis der Feldstoppzone 23 entspricht dem Integral der Dotierungskonzentration der Feldstoppzone 23 in der Stromflussrichtung x.
  • Das Feldelektrodendielektrikum 22 weist beispielsweise ein Oxid, ein Nitrid, ein High-k Dielektrikum, ein Low-k Dielektrikum oder dergleichen auf. Das Feldelektrodendielektrikum kann sogar ein Gas oder ein Vakuum aufweisen, das in einem Hohlraum ausgebildet ist, welcher die Feldelektrode 21 umgibt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Feldelektrodendielektrikum 22 eine Kompositschicht mit zwei oder mehr unterschiedlichen dielektrischen Schichten.
  • Das Halbleiterbauelement weist eine Stromflussrichtung x auf, welche eine Richtung ist, in der die Ladungsträger in der Driftzone 11 fließen, wenn das Halbleiterbauelement leitend ist (sich in einem eingeschalteten Zustand befindet). Die Feldelektrode 21 weist eine Länge l auf, bei der es sich um eine Abmessung der Feldelektrode 21 in der Stromflussrichtung x handelt und sie weist eine Weite w auf, bei der es sich um eine Abmessung der Feldelektrode 21 in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung x handelt. Eine Feldelektrode 21 kann eine variierende Länge und eine variierende Weite aufweisen. In diesem Fall bezeichnet die Länge „l“ das Maximum der Länge der Feldelektrode 21 und die Weite „w“ bestimmt das Maximum der Weite der Feldelektrode 21. Das Feldelektrodendielektrikum 22 besitzt im Wesentlichen eine U-Form mit einem Bodenabschnitt 221 und zwei Schenkelabschnitten 222, 223. Die Weite w der Feldelektrode 21 ist eine Abmessung der Feldelektrode 21 zwischen den beiden Schenkelabschnitten 222, 223 des Feldelektrodendielektrikums 22. Wie unter Bezugnahme auf die 16A bis 16D erläutert wird, kann die U-Form des Feldelektrodendielektrikums 22 auf viele verschiedene Arten modifiziert werden. Allerdings weist die modifizierte U-Form ebenfalls einen Bodenabschnitt 221 auf, sowie zwei Schenkelabschnitte, die die Weite w bestimmen und zwischen denen die Feldelektrode 21 angeordnet ist.
  • Ein Aspektverhältnis der Feldelektrode, das durch das Verhältnis zwischen der Länge l und der Weite w gegeben ist, ist größer als 1, d.h. l/w > 1. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt das Aspektverhältnis l/w zwischen 1 und 50, insbesondere zwischen 5 und 50. Die Dicke des Feldelektrodendielektrikums 22, welche eine Abmessung des Feldelektrodendielektrikums zwischen der Feldelektrode 21 und der Driftzone 11 ist, kann variieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt diese Dicke zwischen 10 nm und 2 µm.
  • Die Feldelektrode 21 weist zwei longitudinale Enden auf, bei denen es sich um jene Enden der Feldelektrode 21 in der Richtung der Stromflussrichtung x handelt. Ein erstes longitudinales Ende der Feldelektrode 21 ist dem Bodenabschnitt 221 des Feldelektrodendielektrikums 22 zugewandt. Das zweite longitudinale Ende der Feldelektrode 21 ist der Öffnung 26 des Feldelektrodendielektrikums 22 zugewandt, wobei diese Öffnung 26 bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dem Übergang 12 des Halbleiterbauelements zugewandt oder in dessen Richtung angeordnet ist.
  • Vor der Darlegung weiterer Einzelheiten zu möglichen Implementierungen der Feldelektrode und der Feldstoppzone 23 wird das grundlegende Funktionsprinzip des Halbleiterbauelements, insbesondere der Feldelektrodenstruktur 20, bezugnehmend auf 1 erläutert. Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass die Driftzone 11 n-dotiert ist, so dass der Übergang 12 in Sperrrichtung vorgespannt ist, wenn eine positive Spannung zwischen der Driftzone 11 und der weiteren Bauelementzone 13 oder zwischen die zweiten bzw. ersten Anschlüsse 32, 31 angelegt wird. Allerdings gilt das unten erläuterte Funktionsprinzip entsprechend ebenso für ein Halbleiterbauelement mit einer p-dotierten Driftzone.
  • Wenn der Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, erstreckt sich eine Verarmungszone (Raumladungszone) ausgehend von dem Übergang 12 in die Driftzone 11. Die Weite der Verarmungszone, bei der es sich um eine Abmessung der Verarmungszone in einer Richtung senkrecht zum Übergang 12 handelt, hängt ab von der Spannung, die den Übergang 12 in Sperrrichtung vorspannt. Die Weite der Verarmungszone steigt an, wenn die in Rückwärtsrichtung vorspannende Spannung ansteigt. Innerhalb der Verarmungszone liegen ionisierte Dotierstoffatome in der Driftzone 11 vor. Diese ionisierten Dotierstoffatome besitzen eine positive Ladung, wenn die Driftzone 11 n-dotiert ist (und sie besitzen eine negative Ladung, wenn die Driftzone p-dotiert ist). Den positiven Ladungen in der Driftzone 11 entsprechende negative Ladungen sind in der weiteren Bauelementzone 13 auf der anderen Seite des Übergangs 12 lokalisiert. Wenn die Verarmungszone die Feldstoppzone 23 erreicht, setzt in der Feldstoppzone 23, die denselben Dotierungstyp aufweist wie die Driftzone 11, ein Ionisierungsprozess ein. Bei einer n-dotierten Feldstoppzone 23 werden Elektronen erzeugt, die dabei positive Dotierstoffionen in der Feldstoppzone 23 zurück lassen (diese ionisierten Dotierstoffatome sind in 1 nicht dargestellt). Aufgrund des elektrischen Feldes, das durch die positiv geladenen, ionisierten Dotierstoffatome in der Feldstoppzone 23 und der Driftzone 11 hervorgerufen wird, werden die in der Feldstoppzone 23 erzeugten Elektronen von dem Übergang 12 in der Stromflussrichtung x des Halbleiterbauelements weg getrieben. Die Feldstoppzone 23 befindet sich in der Stromflussrichtung angrenzend an die Feldelektrode 21, so dass die in der Feldstoppzone 23 erzeugten Elektronen in die Feldelektrode 21 getrieben werden. Aufgrund des Feldelektrodendielektrikums 22 werden die Elektronen in der Feldelektrode 21 „gefangen“, so dass die Feldelektrode 21 negativ geladen wird. Hierdurch stellt nicht nur die weitere Bauelementzone 13, sondern auch die Feldelektrode 21 negative Ladungen (Gegenladungen) bereit, die mit den positiven Ladungen in die Driftzone 11 korrespondieren.
  • Das Spannungssperrvermögen des Halbleiterbauelements wird erreicht, wenn das elektrische Feld, das durch ionisierte Dotierstoffatome in der Driftzone 11 und korrespondierende Gegenladungen in der weiteren Bauelementzone 13 erzeugt wird, das kritische elektrische Feld erreicht. Das kritische elektrische Feld ist eine Materialkonstante des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers wie beispielsweise Silizium. Die in Rückwärtsrichtung vorspannende Spannung, bei der das kritische elektrische Feld an dem Übergang 12 erreicht wird, hängt ab von der Dotierungskonzentration der Driftzone 11 und hängt deshalb von der Anzahl von Dotierstoffatomen ab, die ionisiert werden können, wenn an den Übergang 12 eine in Rückwärtsrichtung vorspannende Spannung angelegt wird. Wenn allerdings wie bei dem Halbleiterbauelement gemäß 1 ionisierte Dotierstoffatome in der Driftzone 11 korrespondierende Gegenladungen nicht nur in der weiteren Bauelementzone 13 auf der anderen Seite des Übergangs 12 sondern ebenso innerhalb der Driftzone 11, nämlich in der Feldelektrode 21, finden, kann die Dotierungskonzentration der Driftzone 11 erhöht werden, ohne dass sich das Spannungssperrvermögen des Halbleiterbauelements verringert. Eine Erhöhung der Dotierungskonzentration der Driftzone 11 ist vorteilhaft betreffend den Einschaltwiderstand des Halbleiterbauelements. Bei einem unipolaren Halbleiterbauelement wie beispielsweise einem MOSFET oder einer Schottky-Diode ist der Einschaltwiderstand hauptsächlich durch den ohmschen Widerstand der Driftzone 11 bestimmt, wobei sich der ohmsche Widerstand der Driftzone 11 verringert, wenn die Dotierungskonzentration der Driftzone 11 ansteigt.
  • Die Feldelektrode 21 grenzt in der Stromflussrichtung an die Feldstoppzone 23 an, so dass Ladungsträger von der Feldstoppzone 23 in die Feldelektrode 21 fließen, wo sie eingefangen werden. Der Prozess der Erzeugung von Ladungsträgern, die in der Feldelektrode 21 eingefangen werden, ist reversibel, was bedeutet, dass Elektronen, die in der Feldelektrode 21 gefangen sind, in die Feldstoppzone 23 zurück fließen, wenn die Verarmungszone in der Driftzone 11 durch Abschalten der in Rückwärtsrichtung vorspannenden Spannung entfernt wird.
  • Die Ladungsträger, die in die Feldelektrode 21 fließen, wenn die Verarmungszone die Feldstoppzone 23 erreicht, sind Ladungsträger vom Typ „n“ (Elektronen), wenn die Driftzone 11 und die Feldstoppzone 23 n-dotierte Zonen sind. In diesem Fall wird die Feldelektrode 21 negativ geladen. Wenn allerdings die Driftzone 11 und die Feldstoppzone 23 p-dotierte Zonen sind, fließen Ladungsträger vom Typ „p“ in die Feldelektrode 21 und laden dabei die Feldelektrode positiv auf. Wenn beispielsweise die Feldelektrode 21 ein Metall aufweist, entspricht das Fließen von Ladungsträgern des Typs „p“ in die Feldelektrode dem Fließen von Elektronen von der Metall-Feldelektrode 21 in die Feldstoppzone 23.
  • Bezugnehmend auf 1 kann die Feldstoppzone 23 vollständig innerhalb des Feldelektrodendielektrikums 22 angeordnet sein, so dass sich die Feldstoppzone 23 in der Stromflussrichtung x des Halbleiterbauelements nicht über die Öffnung 26 des Feldelektrodendielektrikums 22 hinaus erstreckt. Die Feldelektrode 21 weist beispielsweise ein monokristallines Halbleitermaterial vom ersten Dotierungstyp auf, ein polykristallines oder amorphes Halbleitermaterial, oder ein Metall. Ein elektrisch leitender Kontakt oder eine elektrisch leitende Kontaktzone, der bzw. die die Feldstoppzone 23 elektrisch mit der Feldelektrode 21 verbindet, kann zwischen der Feldstoppzone 23 und der Feldelektrode 21 angeordnet sein. Wenn es sich bei der Feldelektrode 21 um eine monokristalline Halbleiterzone vom ersten Leitungstyp handelt, kann die Dotierungskonzentration der Feldelektrode 21 der Dotierungskonzentration der Feldstoppzone 23 entsprechen. In diesem Fall können beide Funktionen (Feldstopp und Feldelektrode) innerhalb derselben Halbleiterzone bereitgestellt werden. Allerdings ist es ebenso möglich, dass die Feldstoppzone 23 und die Feldelektrode 21 unterschiedliche Dotierungskonzentrationen aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht die Dotierungskonzentration der Feldelektrode 21 der Dotierungskonzentration der Driftzone 11.
  • Optional weist die Feldelektrodenstruktur 20 eine Abschirmstruktur 25 auf, die in der Stromflussrichtung x von der Öffnung 26 des Feldelektrodendielektrikums 22 beabstandet ist. Die Abschirmstruktur ist in einer Reihe mit der Feldelektrodenstruktur 20. Eine Weite der Abschirmstruktur, die eine Abmessung der Abschirmstruktur in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist, kann einer Weite der Feldelektrodenstruktur 20 entsprechen, oder sie kann größer sein als die Weite der Feldelektrodenstruktur.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Abschirmstruktur 25 nur ein Dielektrikum wie beispielsweise ein Oxid auf. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Abschirmstruktur 25 eine Elektrode auf, die von den Halbleiterzonen, beispielsweise der Driftzone 11, durch ein Dielektrikum dielektrisch isoliert ist. Die Elektrode ist beispielsweise elektrisch an ein Referenzpotential angeschlossen. Bei diesem Referenzpotential kann es sich um das elektrische Potential des ersten Anschlusses handeln. Bei einem MOSFET, welcher nachstehend unter Bezugnahme auf die 17 bis 20 erläutert wird, könnte das Referenzpotential ebenso das elektrische Potential der Gateelektrode sein. Eine Elektrode der Abschirmstruktur 25, die an ein Referenzpotential angeschlossen ist, kann Gegenladungen zu den Ladungen in der Feldstoppzone 23 bereitstellen, wenn sich das Bauelement in einem sperrenden Zustand befindet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Abschirmstruktur 25 eine Halbleiterzone von einem Dotierungstyp komplementär zum Dotierungstyp der Driftzone 11.
  • 2 zeigt eine Modifikation des in 1 dargestellten Halbleiterbauelements. Bei dem Halbleiterbauelement gemäß 2 erstreckt sich die Feldstoppzone 23 durch die Öffnung 26 des Feldelektrodendielektrikums 22, so dass sich die Feldstoppzone 23 in der Stromflussrichtung x über die Öffnung 26 des Feldelektrodendielektrikums 22 hinaus erstreckt. In der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung x erstreckt sich die Feldstoppzone 23 bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht über das Feldelektrodendielektrikum 22 hinaus.
  • Bezugnehmend auf 3 kann sich die Feldstoppzone 23 in der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung x auch über das Feldelektrodendielektrikum 22 hinaus erstrecken. Allerdings erstreckt sich in dieser Richtung die Feldstoppzone 23 nicht weiter als 200 nm, nicht weiter als 100 nm oder sogar nicht weiter als 50 nm über das Feldelektrodendielektrikum 22 hinaus.
  • Bei den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen separieren die Feldstoppzone 23 und das Feldelektrodendielektrikum 22 die Feldelektrode 21 und die Driftzone 11 vollständig. Allerdings ist dies lediglich ein Beispiel.
  • Gemäß einem weiteren, in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel grenzt ein Abschnitt der Feldelektrode 21 neben der Feldstoppzone 23 an die Driftzone 11 an. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt die Feldstoppzone 23 zwei Feldstoppzonenabschnitte, zwischen denen sich die Feldelektrode 21 zur Driftzone 11 erstreckt. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) weist die Feldstoppzone 23 lediglich einen Abschnitt auf. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Feldstoppzone 23 vollständig innerhalb des Feldelektrodendielektrikums 22 angeordnet. Allerdings könnte sich die Feldstoppzone 23 in der Stromflussrichtung ebenso über die Öffnung des Feldelektrodendielektrikums 22 hinaus erstrecken.
  • 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Feldstoppzone 23 lediglich außerhalb des Feldelektrodendielektrikums 22 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Feldelektrode 21 oder der optionale Kontakt 24 zu der Öffnung des Feldelektrodendielektrikums 22 und grenzt an die Feldstoppzone 23 an. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel separieren die Feldstoppzone 23 und das Feldelektrodendielektrikum 22 die Feldelektrode 21 und die Driftzone 11 vollständig. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Es könnten ebenso Abschnitte der Feldelektrode 21 vorhanden sein, die, wie in 4 gezeigt, an die Driftzone 11 angrenzen.
  • Obwohl die Größe der Öffnung 26 bei den in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen der Weite w der ersten Feldelektrode 21 entspricht, handelt es sich lediglich um ein Beispiel.
  • Bezugnehmend auf 6 kann das Feldelektrodendielektrikum 22 mit einer Öffnung 26 realisiert werden, die kleiner ist als die Weite w der Feldelektrode 21. Diese kleine Öffnung des Feldelektrodendielektrikums 22 kann bei einem jeden der unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispiele eingesetzt werden. Das Anordnen der Feldstoppzone 23 außerhalb des Feldelektrodendielektrikums 22 und angrenzend an die Feldelektrode 21 wie in 6 gezeigt, ist lediglich eine von vielen Ausgestaltungen zur Realisierung der Feldstoppzone 23 in Verbindung mit einer kleineren Öffnung.
  • 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements mit einer Feldelektrodenstruktur 20. Die Feldelektrodenstruktur 20 weist eine Generationszone 50 auf, die dazu ausgebildet ist, Paare von Ladungsträgern, nämlich Löcher und Elektronen, zu erzeugen, wenn die Verarmungszone die Generationszone 50 bei in Rückwärtsrichtung vorgespanntem Übergang 12 erreicht. Anders als die unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläuterte Feldstoppzone 23, die einen ersten Typ von Ladungsträgern, nämlich Elektronen in dem zuvor erläuterten Beispiel, erzeugt, die in die Feldelektrode 21 fließen und fixierte Ladungsträger von einem zweiten Typ, nämlich positiv ionisierte Dotierstoffatome, erzeugt die Generationszone 50 zwei Typen von Ladungsträgern, die sich innerhalb der Driftzone bewegen können. Zum Zweck der Erläuterung wird wiederum angenommen, dass die Driftzone 11 eine Driftzone vom Typ „n“ ist, so dass positive Dotierstoffionen (ionisierte Dotierstoffatome) in der Driftzone 11 vorhanden sind, wenn der Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Wenn die Verarmungszone die Generationszone 50 erreicht, werden Elektronen und Löcher erzeugt, wobei Elektronen aufgrund des elektrischen Felds von dem Übergang 12 weg und in die innerhalb des Feldelektrodendielektrikums 22 befindliche Feldelektrode 21 getrieben werden. Der Effekt des Einfangens der Elektronen in der Feldelektrode 21 ist derselbe, wie er unter Bezugnahme auf 1 erläutert wurde. Die Löcher werden in die Richtung des Übergangs 12 getrieben und erreichen die erste Elektrode 31 (die nur schematisch dargestellt ist und die ein Metall aufweisen kann), wo sie mit Elektronen rekombinieren, oder einige der Löcher sammeln sich an der optionalen Abschirmstruktur 25, die verhindert, dass die Löcher zu dem Übergang 12 fließen.
  • Die wenigstens eine Generationszone 50 kann auf viele verschiedene Arten implementiert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Generationszone 50 ein Zwischengebiet zwischen der Feldelektrode 21 und der Driftzone 11. In diesem Fall weist die Feldelektrode 21 beispielsweise ein Metall, ein Silizid, oder Kohlenstoff auf. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Feldelektrode ein polykristallines Halbleitermaterial auf, ein amorphes Halbleitermaterial oder ein monokristallines Halbleitermaterial, in das Fremdmaterialatome implantiert oder diffundiert sind oder das Kristalldefekte aufweist. Geeignete Fremdmaterialatome sind beispielsweise Schwermetallatome wie z.B. Goldatome oder Platinatome. Kristalldefekte können durch die Implantation von Teilchen wie beispielsweise Argon-(Ar) oder Germanium-(Ge)Atomen, Halbleiteratomen oder dergleichen, in die Feldelektrode erzeugt werden. Wenn die Feldelektrode 21 ein polykristallines oder ein amorphes Halbleitermaterial oder ein monokristallines Halbleitermaterial mit Fremdmaterialatomen oder Kristalldefekten aufweist, gibt es innerhalb der Feldelektrode 21 eine Vielzahl von Generationszonen 50. Ein jedes der Fremdmaterialatome oder ein jeder der Kristalldefekte in dem monokristallinen Material oder dem inhärenten Kristallgrenzen in einem monokristallinen oder einem amorphen Material kann als Generationszone dienen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Feldelektrode 21 ein monokristallines Halbleitermaterial auf, das komplementär zu der Driftzone 11 dotiert ist.
  • Die Position der Generationszone 50 relativ zu der Feldelektrode 21 kann der zuvor erläuterten Position der Feldstoppzone 23 relativ zu der Feldelektrode 21 entsprechen. Wie die unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläuterte Feldstoppzone 23 kann die Generationszone 50 in der Stromflussrichtung x des Halbleiterbauelements benachbart zu der Feldelektrode 21 sein, so dass Ladungsträger, beispielsweise Elektronen, die in der Generationszone 50 erzeugt werden, in die Feldelektrode 21 fließen, wo sie eingefangen werden. Allerdings ist es ebenso möglich, wenigstens eine Generationszone 50 innerhalb der Feldelektrode bereit zu stellen, beispielsweise wenn die Feldelektrode 21 ein polykristallines oder amorphes Halbleitermaterial aufweist, oder ein monokristallines Halbleitermaterial mit Kristalldefekten. Ebenso wie der unter Bezugnahme auf die Feldstoppzone 23 erläuterte Effekt ist das Aufladen der Feldelektrode 21 reversibel. Wenn die Spannung, die den Übergang in Rückwärtsrichtung vorspannt, reduziert oder abgeschaltet wird, werden in der Feldelektrode 21 gefangene Ladungsträger von der Feldelektrode 21 entfernt, um die Feldelektrode 21 zu entladen. Diese Ladungsträger können entweder bei der Generationszone 50 mit komplementären Ladungsträgern rekombinieren, oder sie können über die Driftzone zu einer der Elektroden fließen. Wenn beispielsweise die Driftzone 11 n-dotiert ist, so dass Elektronen in der Feldelektrode 21 eingefangen werden, wenn der Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, rekombinieren diese Elektronen mit Löchern an der Generationszone 50, oder sie fließen zu der zweiten Elektrode 32, wenn die in Rückwärtsrichtung vorspannende Spannung abgeschaltet oder verringert wird. Die Anzahl von Elektronen, die mit Löchern rekombinieren, hängt ab von der Anzahl von Löchern, die in der Driftzone 11 vorgehalten werden, wenn der Übergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Wenn der Übergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, werden Löcher, beispielsweise bei der Abschirmstruktur 25, vorgehalten, welche als Falle für Ladungsträger wirken kann, die komplementär sind zu Ladungsträgern, die die Feldelektrode 21 laden.
  • Die Feldelektrodenstruktur 20 kann eine Feldstoppzone 23 und eine Generationszone 50 aufweisen, was bedeutet, dass die Feldstoppzone 23 und die Generationszone 50 in einer Feldelektrodenstruktur kombiniert werden können. Wenn beispielsweise bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die Feldelekrode 21 ein Metall, ein polykristallines oder amorphes Halbleitermaterial aufweist, oder ein monokristallines Halbleitermaterial mit Fremdmaterialatomen oder Kristalldefekten, dann gibt es eine Generationszone bei oder nahe der Grenzfläche zwischen der Feldelektrode 21 und der Driftzone 11, oder in der Feldelektrode 21. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) weist das Halbleiterbauelement, wie zuvor erläutert, eine Feldstoppzone 23 vom selben Dotierungstyp wie die Driftzone 11 auf, sowie eine Halbleiterzone von einem komplementären Dotierungstyp. Die Feldstoppzone und die komplementäre Halbleiterzone sind durch eine metallische Elektrode verbunden, und die komplementäre Zone kann zwischen der Feldstoppzone und der Feldelektrode 21 angeordnet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Feldstoppzone, die metallische Elektrode und die komplementäre Zone eine Generationszone, so dass in diesem Bauelement sowohl eine Feldstoppzone, als auch eine Generationszone vorliegen.
  • 8 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das eine Feldelektrodenstruktur 20 mit einer Generationszone 50 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Feldelektrode 21 eine Metall- oder Silizid-Zone 51 auf. Diese Metall- oder Silizid-Zone 51 oder eine Grenzfläche zwischen der Metall- oder Silizid-Zone 51 und der Feldelektrode 21 wirken als Generationszone. Abhängig von der Implementierung der Feldelektrode 21 kann die durch die Metall- oder Silizid-Zone 51 gebildete Generationszone die einzige Generationszone des Bauelements sein, oder sie kann eine von mehreren Generationszonen sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Feldelektrode 21 ein monokristallines Halbleitermaterial auf. In diesem Fall ist eine Generationszone nur an der Grenzfläche zwischen der Metall- oder Silizid-Zone 51 und der Feldelektrode gebildet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Feldelektrode ein polykristallines oder ein amorphes Halbleitermaterial auf, oder ein monokristallines Halbleitermaterial mit Fremdmaterialatomen oder Kristalldefekten. In diesem Fall gibt es zusätzliche Generationszonen in der Feldelektrode.
  • Bezugnehmend auf 9 kann die Generationszone 50 einen Hohlraum 52 aufweisen, der an die Driftzone 11 angrenzt. Die Grenzfläche zwischen der Driftzone 11 und dem Hohlraum 52 wirkt als Generationszone 50. Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Hohlraum 52 auch in die Feldelektrode 21 hinein. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Der Hohlraum 52 könnte auch von der Feldelektrode 51 beabstandet sein. Ebenso wie die unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläuterte Feldstoppzone 23 ist die Generationszone 50 in der Stromflussrichtung x des Halbleiterbauelements angrenzend an die oder benachbart zu der Feldelektrode 21 angeordnet. Die Generationszone 50 kann innerhalb des Feldelektrodendielektrikums 22 angeordnet sein, oder sie könnte ebenso außerhalb des Feldelektrodendielektrikums 22, aber in der Stromflussrichtung x in einer Reihe mit der Feldelektrode 21 angeordnet sein, so dass Ladungsträger, die in der Generationszone 50 erzeugt werden, durch die Öffnung 26 in die Feldelektrode 21 getrieben werden.
  • 10 veranschaulicht schematisch in einem Halbleiterbauelement Äquipotentiallinien eines elektrischen Potentials im Bereich der Feldelektrode 21 und des Feldelektrodendielektrikums 22, wenn der Übergang (in 10 nicht dargestellt) in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Die Figur gilt für Halbleiterbauelemente, die entweder eine Feldstoppzone aufweisen wie beispielsweise die unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläuterte Feldstoppzone 23, oder eine Generationszone wie beispielsweise die unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 erläuterte Generationszone 50. Wie 10 zu entnehmen ist, gibt es innerhalb der Feldelektrode 21 kein elektrisches Feld. Das elektrische Potential der Feldelektrode 21 entspricht dem elektrischen Potential, das die Driftzone 11 an einer Stelle aufweist, an der sich die Feldstoppzone 23 oder die Generationszone 50 befindet. In 10 ist das Feldelektrodendielektrikum 22 unterhalb der Feldelektrode 21 so gezeichnet, dass es dicker ist als das Feldelektrodendielektrikum 22 entlang der Seitenwände der Feldelektrode 21. Allerdings könnte das Feldelektrodendielektrikum 22 unterhalb der Feldelektrode 21 ebenso dick sein wie das Feldelektrodendielektrikum 22 entlang der Seitenwände der Feldelektrode 21.
  • 11 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Halbleiterkörpers 100 in einer in 1 dargestellten Schnittebene A-A. Die Schnittebene A-A durchschneidet die Feldelektrode 21 und das Feldelektrodendielektrikum 22 und verläuft senkrecht zu der in den 1 bis 9 dargestellten Schnittebene. Bei dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Feldelektrode 21 eine Streifenform auf und erstreckt sich longitudinal in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung, in der die Weite w der Feldelektrode 21 definiert ist.
  • 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Feldelektrode 21 eine Säulenform aufweist. Bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Feldelektrode 21 einen rechteckigen Querschnitt auf. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Die säulenförmige Feldelektrode 21 könnte ebenso beliebige andere Querschnitte aufweisen, so wie beispielsweise einen elliptischen Querschnitt, einen hexagonalen Querschnitt, oder jeden anderen polygonalen Querschnitt.
  • 13 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelements, das eine Vielzahl von Feldelektrodenstrukturen 20 aufweist, die in der Stromflussrichtung x des Halbleiterbauelements voneinander beabstandet sind. Das Halbleiterbauelement gemäß 13 weist drei Feldelektrodenstrukturen 20 auf. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Die Anzahl von Feldelektrodenstrukturen 20 kann beliebig gewählt werden, insbesondere in Abhängigkeit von der gewünschten Sperrspannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements und abhängig von der Länge der Driftzone 11. Die Länge der Driftzone 11 ist die Abmessung der Driftzone 11 in der Stromflussrichtung. Wenn bei dem Bauelement gemäß 13 der Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorgespannt wird, so dass sich eine Verarmungszone in die Driftzone 11 erstreckt, erreicht die Verarmungszone zuerst die Feldelektrodenstruktur 20, die am Nächsten an dem Übergang 12 angeordnet ist, so dass die Feldelektrode 21 von dieser Feldelektrodenstruktur vorgespannt wird um Gegenladungen zu ionisierten Dotierstoffatomen in der Driftzone 11 bereitzustellen. Wenn sich die Verarmungszone weiter in der Driftzone 11 ausbreitet und eine nächste Feldelektrodenstruktur 20 erreicht, wird auch die Feldelektrode 21 dieser Feldelektrodenstruktur vorgespannt. Dieser Prozess setzt sich fort, wenn die den Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorspannende Spannung ansteigt, bis die Feldelektrode 21 der am Weitesten von dem Übergang 12 beabstandeten Feldelektrodenstruktur vorgespannt ist.
  • Die in 13 gezeigte Feldelektrodenstruktur 20 entspricht der Bezugnehmend auf 1 erläuterten Feldelektrodenstruktur 20. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Jede andere hierin zuvor beschriebene Feldelektrodenstruktur 20 mit einer Feldstoppzone 23 und/oder einer Generationszone 50 könnte bei dem Halbleiterbauelement gemäß 13 ebenso eingesetzt werden. Gemäß einer Ausgestaltung sind die einzelnen Feldelektrodenstrukturen 20 auf dieselbe Weise implementiert. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden in einem Halbleiterbauelement unterschiedliche Feldelektrodenstrukturen 20 eingesetzt.
  • Bei dem Halbleiterbauelement gemäß 13 sind die einzelnen Feldelektrodenstrukturen 20 in der Stromflussrichtung x in einer Reihe angeordnet. Die optionale Abschirmstruktur 25 ist zwischen der Feldelektrodenstruktur 20 angeordnet, die sich am Nächsten an dem Übergang 12 befindet, und dem Übergang 12. Für die verbleibenden Feldelektrodenstrukturen 20 wirkt eine benachbarte Feldelektrodenstruktur, insbesondere das Feldelektrodendielektrikum 22 der benachbarten Feldelektrodenstruktur, als Abschirmstruktur, so dass keine zusätzlichen Strukturen für diese Feldelektrodenstrukturen erforderlich sind.
  • Bezugnehmend auf das, was in 13 in gepunkteten Linien dargestellt ist, kann das Halbleiterbauelement eine Ladungsträgerfalle 27 für Ladungsträger eines Ladungsträgertyps aufweisen, der komplementär ist zu dem der Ladungsträger, die in der Feldelektrode 21 eingefangen werden, wenn der Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Insbesondere wenn die Feldelektrodenstruktur 20 eine Generationszone aufweist, werden jene komplementären Ladungsträger erzeugt, wenn die Feldelektrode 21 geladen oder vorgespannt wird. Bei dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ladungsträgerfalle 27 an dem Feldelektrodendielektrikum an dem longitudinalen Ende des Feldelektrodendielektrikums angeordnet, das der Öffnung 26 abgewandt ist. Die Ladungsträgerfalle kann eine gekrümmte Oberfläche (wie in 13 gezeigt) aufweisen, die der Öffnung 26 einer benachbarten Feldelektrodenstruktur 20 zugewandt ist, oder sie kann eine ebene Oberfläche (nicht gezeigt) aufweisen. Die Ladungsträgerfalle 27 kann als Abschnitt des Feldelektrodendielektrikums 22 ausgebildet sein und kann dasselbe Material aufweisen, wie das Feldelektrodendielektrikum 22. Eine Ladungsträgerfalle 27, die an einem Ende einer Feldelektrodenstruktur ausgebildet ist, fängt Ladungsträger ein, die in einer Generationszone (in 13 nicht gezeigt) einer benachbarten Feldelektrodenstruktur erzeugt werden. Die Abschirmstruktur, die zu der Feldelektrodenstruktur 20, welche sich am Nächsten am Übergang 12 befindet, angeordnet ist, kann als Ladungsträgerfalle für komplementäre Ladungsträger dienen, die in dieser Feldelektrodenstruktur 20 erzeugt werden.
  • 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements mit einer Vielzahl von Feldelektrodenstrukturen. Auch bei diesem Halbleiterbauelement sind die einzelnen Feldelektrodenstrukturen 20 in der Stromflussrichtung x voneinander beabstandet. Allerdings sind die einzelnen Feldelektrodenstrukturen 20 zueinander nicht in einer Reihe angeordnet, sondern in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung x zueinander versetzt. Gemäß einer Ausgestaltung wird die in 14 gezeigte Struktur als Randabschlusssruktur bei einem vertikalen Halbleiterbauelement eingesetzt. In diesem Fall ist die Struktur mit der versetzten Feldelektrodenstruktur in einem Randbereich des Halbleiterkörpers 10 angeordnet, bei dem es sich um einen Bereich des Halbleiterkörpers nahe eines (vertikalen) Randes des Halbleiterkörpers 100 handelt. Insbesondere wenn sie als Randabschlussstruktur eingesetzt wird, kann auf die optionalen, benachbart zu den einzelnen Feldelektrodenstrukturen angeordneten Abschirmstrukturen verzichtet werden.
  • 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das eine Vielzahl von Feldelektrodenstrukturen 20 aufweist. Bei diesem Halbleiterbauelement ist eine Generationszone 50 zwischen der Feldelektrode 21 und der Driftzone 11 und/oder innerhalb der Feldelektrode 21 ausgebildet. Weiterhin erstreckt sich die Feldelektrode 21 einer Feldelektrodenstruktur 20, die am Nächsten bei dem Übergang 12 angeordnet ist, bis zu einer Abschirmstruktur 25. Die Feldelektroden 21 der anderen Feldelektrodenstruktur 20 erstrecken sich in der Stromflussrichtung x zu dem oder in das Feldelektrodendielektrikum 22 einer benachbarten Feldelektrodenstruktur 20. Diejenigen Bereiche des Feldelektrodendielektrikums 22 einer Feldelektrodenstruktur 20, zu denen oder in die sich die Feldelektrode 21 einer benachbarten Feldelektrodenstruktur erstreckt, bilden eine Ladungsträgerfalle für komplementäre Ladungsträger. Die Generationszonen 50 sind Grenzflächen zwischen den Feldelektroden 21 und der Driftzone 11, die in der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung von einem äußeren Rand des Feldelektrodendielektrikum 22 beabstandet sind, oder die Generationszonen sind innerhalb der Feldelektroden 21 angeordnet. In jedem Fall erstrecken sich diese Generationszonen 50 in der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung nicht über das Feldelektrodendielektrikum 22 hinaus.
  • Bezugnehmend auf die obige Erläuterung ist das Feldelektrodendielektrikum 22 im Wesentlichen U-förmig mit einem Bodenabschnitt 221 und zwei entgegengesetzten Schenkelabschnitten 222, 223.
  • Bezugnehmend auf die 16A bis 16D kann diese U-Form auf viele verschiedene Arten modifiziert werden. Die 16A bis 16D veranschaulichen schematisch Ausführungsbeispiele von möglichen Formen oder Geometrien des Feldelektrodendielektrikums 22. Bezugnehmend auf die 16A und 16B können sich die Feldelektrode 21 und deshalb die U-Form des Feldelektrodendielektrikums 22 in Richtung der Öffnung 26 verengen. Bei dem in 16C gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Feldelektrode 21 näherungsweise eine konstante Weite auf, wobei sich das Feldelektrodendielektrikum 22 nur in einem Bereich nahe der Öffnung 26 verengt. Bezugnehmend auf 16D könnte das Feldelektrodendielektrikum 22 auch flaschenförmig sein. Die 16A bis 16D zeigen lediglich einige von vielen verschiedenen Arten, wie die U-Form des Feldelektrodendielektrikums 22 modifiziert werden kann.
  • 17 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements mit einer Feldelektrodenstruktur, die als MOS-Transistor implementiert ist. In 17 ebenso wie in den 18 bis 21 sind die Feldelektrodenstrukturen 20 lediglich schematisch dargestellt. Eine jede der Feldelektrodenstrukturen, die hierin nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 16 erläutert werden, kann bei diesem Halbleiterbauelement nicht eingesetzt werden. Bezugnehmend auf 17 bildet die weitere Bauelementzone 13 eine Bodyzone des MOS-Transistors und ist komplementär zu der Driftzone 11 dotiert. Der Übergang 12 zwischen der Driftzone 11 und der Bodyzone 13 ist bei diesem Bauelement ein pn-Übergang. Der MOS-Transistor weist weiterhin eine Sourcezone 14 und eine Drainzone 15 auf. Die Bodyzone 13 ist zwischen der Sourcezone 14 und der Driftzone 11 angeordnet, und die Driftzone 11 ist zwischen der Bodyzone 13 und der Drainzone 15 angeordnet. Eine Gateelektrode befindet sich benachbart zu der Bodyzone 13 und ist durch ein Gatedielektrikum 42 dielektrisch gegenüber der Bodyzone 13 isoliert.
  • Der MOS-Transistor kann als Enhancement-Transistor (selbstsperrender Transistor) implementiert sein. In diesem Fall grenzt die Bodyzone 13 an das Gatedielektrikum 42 an. Das Halbleiterbauelement könnte ebenso als Verarmungs-Transistor (selbstleitender Transistor) implementiert sein. In diesem Fall erstreckt sich eine Kanalzone (nicht gezeigt) vom selben Leitungstyp wie die Sourcezone 14 und die Driftzone 11 in der Bodyzone 13 zwischen der Sourcezone 14 und der Driftzone 11 entlang des Gatedielektrikums 42.
  • Der MOS-Transistor kann als Transistor vom Typ „n“ implementiert sein. In diesem Fall sind die Sourcezone 14 und die Driftzone 11 n-dotiert, wohingegen die Bodyzone 13 p-dotiert ist. Das Halbleiterbauelement könnte ebenfalls als Transistor vom Typ „p“ implementiert sein. In diesem Fall sind die Sourcezone 14 und die Driftzone 11 p-dotiert, wohingegen die Bodyzone n-dotiert ist. Weiterhin kann der MOS-Transistor als MOSFET oder als IGBT implementiert sein. Bei einem MOSFET ist die Drainzone 15 vom selben Leitungstyp wie die Driftzone 11, während bei einem IGBT die Drainzone 15 komplementär dotiert ist. Bei einem IGBT wird die Drainzone als Kollektorzone anstelle als Drainzone bezeichnet.
  • Der MOS-Transistor gemäß 17 kann als vertikaler Transistor implementiert sein. In diesem Fall sind die Sourcezone 14 und die Drainzone 15 in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 voneinander beabstandet, wobei die vertikale Richtung senkrecht zu ersten und zweiten Oberflächen des Halbleiterkörpers 100 verläuft. In einem vertikalen Transistor entspricht die Stromflussrichtung x der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100. Allerdings könnte der Transistor ebenso auch als lateraler Transistor implementiert sein. In diesem Fall sind die Sourcezone 14 und die Drainzone 15 in einer lateralen oder horizontalen Richtung des Halbleiterkörpers voneinander beabstandet, so dass Source- und Drainelektroden des Transistors auf einer Seite des Halbleiterkörpers angeordnet sind. Bei dem MOS-Transistor gemäß 17 bildet die erste Elektrode 31 eine Sourceelektrode, die die Source- und Bodyzonen 14, 13 kontaktiert und die an einen Sourceanschluss S angeschlossen ist, währnd die zweite Elektrode 32 eine Drainelektrode bildet, die elektrisch an einen Drainanschluss D angeschlossen ist. Die Gateelektrode 41 ist elektrisch an einen Gateanschluss G angeschlossen. Ebenso wie ein herkömmlicher Transistor kann der Transistor gemäß 17 eine Vielzahl identischer Transistorzellen aufweisen, wobei jede Transistorzelle eine Sourcezone 14, eine Bodyzone 13 und einen Abschnitt der Gateelektrode 41 aufweist. Die Driftzone 11 und die Drainzone 15 können den einzelnen Transistorzellen gemein sein. Die einzelnen Transistorzellen sind dadurch parallel geschaltet, dass die einzelnen Sourcezonen 14 an die Sourceelektrode 31 angeschlossen sind, sowie dadurch, dass die einzelnen Gateelektroden 41 an einen gemeinsamen Gateanschluss G angeschlossen sind.
  • Bei dem Transistorbauelement gemäß 17 sind die Feldelektrodenstrukturen 20 in der Stromflussrichtung x in einer Reihe mit der Gateelektrode 41 und dem Gatedielektrikum 42. Die Geometrie der Feldelektroden (in 17 nicht gezeigt) in einer Ebene senkrecht zu der in 17 dargestellten Ebene kann der Geometrie der Gateelektrode 41 in dieser Ebene entsprechen. Bei dem Halbleiterbauelement gemäß 17 ist lediglich eine Feldelektrodenstruktur 20 in einer Reihe mit einer Gateelektrode oder einem Gateelektrodenabschnitt 41 angeordnet. Allerdings handelt es sich hier lediglich um ein Beispiel. Bezugnehmend auf die in den 13 bis 15 gezeigten Ausführungsbeispiele kann eine Vielzahl von Feldelektrodenstrukturen 20 in der Stromflussrichtung x in einer Reihe angeordnet sein.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 17, bei dem die Feldelektrodenstrukturen 20 mit den Gateelektroden und dem Gatedielektrikum 42 in einer Reihe angeordnet sind, wirken die Gateelektrode und das Gatedielektrikum als Abschirmstruktur 25 und/oder als Ladungsträgerfalle, so dass keine zusätzliche Abschirmstruktur erforderlich ist.
  • Der MOS-Transistor gemäß 17 kann wie ein herkömmlicher MOS-Transistor betrieben werden, der durch Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials an die Gateelektrode 41 ein- und ausgeschaltet werden kann. Wenn der MOS-Transistor ausgeschaltet ist und eine Spannung zwischen die Drain- und Sourceanschlüsse D, S angelegt wird, die den pn-Übergang zwischen der Driftzone 11 und der Bodyzone 13 in Rückwärtsrichtung vorspannt, werden die Feldelektroden (in 17 nicht gezeigt) der Feldelektrodenstrukturen 20, wie vorangehend erläutert, vorgespannt, um Gegenladungen zu den Dotierstoffladungen in der Driftzone 11 bereitzustellen.
  • 18 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das als MOS-Transistor implementiert ist. Das Halbleiterbauelement gemäß 18 stellt eine Modifikation des Halbleiterbauelements gemäß 17 dar, wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 18 eine dielektrische Schicht 43 zwischen der Gateelektrode 41 und der Driftzone 11 dicker ist als das Gatedielektrikum 42. Die Dicke von dieser dielektrischen Schicht beträgt beispielsweise zwischen 100 nm und 500 nm.
  • 19 zeigt eine weitere Modifikation des in 17 dargestellten Halbleiterbauelements. Das Halbleiterbauelement gemäß 19 weist eine weitere Feldplatte oder Feldelektrode 44 auf. Diese weitere Feldelektrode 44 ist durch ein weiteres Feldelektrodendielektrikum 45 von der Driftzone 11 dielektrisch isoliert. Die weitere Feldelektrode 44 ist auf eine in 19 nicht gezeigte Weise elektrisch an den Sourceanschluss S oder den Gateanschluss G angeschlossen und enthält beispielsweise ein Metall oder ein polykristallines Halbleitermaterial. Bei dem in 19 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die weitere Feldelektrode 44 in demselben Graben ausgebildet wie die Gateelektrode 41, so dass sich die weitere Feldelektrode 44 in einer Reihe mit der Gateelektrode 41 befindet. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Die weitere Feldelektrode 44 und die Gateelektrode 41 könnten ebenso in unterschiedlichen Gräben implementiert sein.
  • Bei den in den 17 bis 19 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Gateelektrode 41 als Grabenelektrode ausgebildet, die in einem Graben des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Jede andere Art von Gateelektrodengeometrie kann ebenso eingesetzt werden.
  • 20 zeigt eine Schnittansicht eines vertikalen Transistorbauelements mit einer planaren Gateelektrode 41, bei der es sich um eine Gateelektrode handelt, die oberhalb einer Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Driftzone 12 Abschnitte auf, die sich zu der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 und zu dem oberhalb der ersten Oberfläche angeordneten Gatedielektrikum 42 erstrecken. Die Bodyzone 13 kann als Abschirmstruktur wirken, so dass keine zusätzliche Abschirmstruktur 25 erforderlich ist.
  • 21 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das als Diode implementiert ist. Bei diesem Halbleiterbauelement ist die weitere Bauelementzone 13 entweder eine Halbleiterzone von einem Dotierungstyp komplementär zur Driftzone 11, um eine bipolare Diode, insbesondere eine p-i-n-Diode, zu bilden, oder die weitere Bauelementzone 13 ist eine Schottky-Zone, um eine Schottky-Diode zu bilden. Die weitere Bauelementzone bildet eine erste Emitterzone der Diode. Die Diode weist weiterhin eine zweite Emitterzone 15 vom selben Leitungstyp wie die Driftzone 11 auf, ist aber stärker dotiert. Die zweite Emitterzone 13 ist an die erste Elektrode 31 angeschlossen, die einen Anodenanschluss bildet, und die Emitterzone 14 ist an die zweite Elektrode 32 angeschlossen, die einen Kathodenanschluss K der Diode bei diesem Ausführungsbeispiel bildet.
  • Die Diode gemäß 21 kann wie eine herkömmliche Diode betrieben werden. Wenn eine Spannung, die den pn-Übergang zwischen der Driftzone 11 und der ersten Emitterzone 13 in Rückwärtsrichtung vorspannt, zwischen den Anoden- und Kathodenanschlüssen A, K angelegt wird, werden Feldelektroden (in 17 nicht gezeigt) der Feldelektrodenstruktur 20, wie vorangehend erläutert, vorgespannt, um Gegenladungen zu den Dotierstoffladungsträgern in der Driftzone 11 bereitzustellen.
  • Bezugnehmend auf die obige Erläuterung werden elektrische Ladungen in den Feldelektrodenstrukturen 20 gespeichert, wenn das Halbleiterbauelement in einen ausgeschalteten Zustand geschaltet wird. Ladungen, die in den Feldelektrodenstrukturen 20 gespeichert sind, weisen korrespondierende Ladungen in Form von ionisierten Dotierstoffatomen in der Driftzone 11 auf. Wenn das Halbleiterbauelement ausschaltet und wenn mehrere Feldelektroden in der Stromflussrichtung der Driftzone 11 benachbart angeordnet sind, werden die Feldelektroden 21 nacheinander geladen, da sich die Verarmungszone in der Driftzone 11 ausbreitet und die Spannung über der Driftzone 11 ansteigt. Daher werden die Feldelektroden, die sich näher an dem pn-Übergang 12 befinden, geladen, bevor Feldelektroden geladen werden, die weiter vom pn-Übergang 12 beabstandet sind.
  • Speicherladungen in den Feldelektroden 21 bzw. der Driftzone 11 erfordern elektrische Energie. Diese Energie, die oft als EOSS bezeichnet wird, hängt ab von der Gesamtmenge der in dem Halbleiterbauelement gespeicherten elektrischen Ladung, und hängt ab von der Spannung, bei der diese Ladungen gespeichert werden. Zur Speicherung von Ladungen in einer Feldelektrode 21 nahe bei dem pn-Übergang ist weniger Energie erforderlich als zur Speicherung derselben Menge von Ladungen in einer Feldelektrode, die weiter von dem pn-Übergang beabstandet ist, weil die Feldelektrode 21, welche weiter vom pn-Übergang 12 beabstandet ist, geladen wird, wenn die Spannung über der Driftzone 11 auf höhere Werte angestiegen ist. Die Energie, welche erforderlich ist, um Ladungen in dem Halbleiterbauelement zum Zeitpunkt des Abschaltens zu speichern, trägt zu den Schaltverlusten des Halbleiterbauelements bei.
  • Um Schaltverluste zu verringern, weist das Halbleiterbauelement optional eine Kompensationszone 16 von einem zweiten Dotierungstyp auf, der komplementär ist zum ersten Dotierungstyp der Driftzone 11. Die Kompensationszone 16 ist in der Driftzone 11 angeordnet, so dass ein pn-Übergang zwischen der Driftzone 11 und der Kompensationszone 16 vorliegt. Weiterhin ist die Kompensationszone 16 elektrisch an die Bauelementzone 13 angeschlossen. Kompensationszonen 16 sind bei den in den 13, 15 und 17 bis 21 gezeigten Halbleiterbauelementen (mit gestrichelten Linien) schematisch dargestellt. Bei diesen Ausführungsbeispielen grenzt die Kompensationszone 16 an die Bauelementzone 13, bei der es sich um eine Bodyzone handelt, wenn das Halbleiterbauelement als MOSFET implementiert ist. Bei einem Halbleiterbauelement, das mit einer Vielzahl von Transistorzellen implementiert ist, kann jede Transistorzelle einer Kompensationszone 16 zugeordnet und an die Bodyzone 13 der einzelnen Transistorzellen angeschlossen werden.
  • In der Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements erstreckt sich die Kompensationszone 16 über einen signifikanten Teil der Länge der Driftzone 11. Die „Länge“ der Driftzone 11 ist die Abmessung der Driftzone 11 zwischen dem pn-Übergang 12 und der Drainzone oder Emitterzone 15.
  • Das Funktionsprinzip der Kompensationszone 16 entspricht dem Funktionsprinzip einer Kompensationszone bei einem herkömmlichen Superjunction-Halbleiterbauelement und wird nachfolgend erläutert. Im eingeschalteten Zustand des Halbleiterbauelements entspricht die Spannung über dem pn-Übergang zwischen der Driftzone 11 und der Kompensationszone 16 der Spannung zwischen dem ersten Lastanschluss 31 (Sourceanschluss), der an die Bauelementzone 13 (Bodyzone) angeschlossen ist, und dem zweiten Lastanschluss 32, der an die Drainzone oder Emitterzone 15 angeschlossen ist. Bei einem MOSFET ist der pn-Übergang zwischen der Driftzone 11 und der Kompensationszone 16 immer in Rückwärtsrichtung vorgespannt, wenn sich der MOSFET in einem Vorwärts-Betriebszustand befindet (welcher ein MOSFET vom Typ „n“ ist, wenn eine positive Spannung zwischen die Drain- und Sourceanschlüsse D, S angelegt wird). Wenn sich der MOSFET allerdings in einem eingeschalteten Zustand befindet, ist die Spannungsdifferenz zwischen den ersten und zweiten Lastanschlüssen 31, 32 (Source- und Drainanschlüsse) relativ gering, so dass nur eine kleine Verarmungszone um diesen pn-Übergang herum vorliegt. Bei einer Diode ist der pn-Übergang zwischen der Driftzone 11 und der Kompensationszone 16 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn sich die Diode im eingeschalteten Zustand befindet.
  • Wenn das Halbleiterbauelement ausgeschaltet ist, so dass die Spannungsdifferenz zwischen den ersten und zweiten Lastanschlüssen 31, 32 ansteigt, breitet sich in der Driftzone 11 eine Verarmungszone sowohl von dem pn-Übergang 12 zwischen der Bauelementzone 13 und der Driftzone 11 als auch vom pn-Übergang zwischen der Driftzone 11 und der Kompensationszone 16 aus. Bezugnehmend auf die obige Erläuterung zieht die Ausbreitung der Verarmungszone Speicherladungen in Form von ionisierten Dotierstoffatomen in der Driftzone nach sich. Da sich die Kompensationszone 16 tief in die Driftzone hinein erstreckt und da der Bereich des pn-Übergangs zwischen der Driftzone 11 und der Kompensationszone 16 relativ zum Bereich des pn-Übergangs zwischen der Driftzone 11 und der Bauelementzone 13 groß ist, werden große Teile des Volumens der Driftzone 11 bei niedrigen Spannungen zwischen den Lastanschlüssen 31, 32 ausgeräumt, was bedeutet, bei Spannungen, bevor die sich von dem pn-Übergang 12 zwischen der Driftzone 11 und der Bauelementzone 13 ausbreitende Verarmungszone die Feldelektrodenstruktur 20 erreicht. Daher werden Schaltverluste aufgrund des Vorhandenseins der Kompensationszone 16 verringert.
  • Abweichend von herkömmlichen Superjunction-Bauelementen, die nur eine Driftzone und eine Kompensationszone aufweisen und die keine Feldelektrodenstruktur aufweisen, wie sie vorangehend hierin erläutert wurde, ist eine exakte Balance von Dotierstoffatomen in der Driftzone und der Kompensationszone nicht erforderlich. Bei herkömmlichen Superjunction-Bauelementen sollte die Gesamtzahl der Dotierstoffatome in der Driftzone der Gesamtzahl der Dotierstoffatome in der Kompensationszone entsprechen, so dass jedes Dotierstoffatom in der Driftzone ein korrespondierendes Dotierstoffatom in der Kompensationszone findet. Bei den vorangehend hierin erläuterten Bauelementen kann jedoch die Gesamtzahl der Dotierstoffatome in der Driftzone 11 höher sein als die Gesamtzahl der Dotierstoffatome in der Kompensationszone 16, weil die Feldelektrodenstrukturen 20 zusätzlich für einen Kompensationseffekt sorgen.
  • Bezugnehmend auf die Erläuterung weiter oben erstreckt sich eine Raumladungszone (Verarmungszone) in die Driftzone 11, wenn der Übergang zwischen der Driftzone 11 und der Bauelementzone 13 in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist (und wenn im Fall eines MOS-Transistors ein leitender Kanal zwischen der Sourcezone und der Driftzone 11 unterbrochen ist). Da die Spannung, die den Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorspannt, die Raumladungszone, wie vom Übergang 12 gesehen, vergrößert, erstreckt sich die Driftzone 11, wie von dem Übergang 12 aus gesehen, tiefer in die Driftzone 11. Wenn die Raumladungszone eine Feldelektrodenstruktur 20 erreicht, wird die entsprechende Feldelektrode (auf die vorangehend erläuterte Weise) geladen, um Gegenladungen zu den ionisierten Dotierstoffatomen in der Driftzone 11 bereitzustellen. Das Aufladen der einzelnen Feldelektroden 21 erfordert, dass ein Strom in das Halbleiterbauelement fließt. Das bedeutet, dass nachdem das Halbleiterbauelement in Rückwärtsrichtung vorgespannt wurde, ein Strom in das Halbleiterbauelement fließt, um die Feldelektroden 21 zu laden. Das Laden der Feldelektroden führt zu Verlusten, wobei die Gesamtenergie (die üblicherweise mit EOSS bezeichnet wird), die in dem Halbleiterbauelement dissipiert wird, wenn es vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand (oder umgekehrt) schaltet, sind gegeben durch: EOSS = ∫VDS·IDSdt, (1) wobei VDS die Spannung zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen 31, 32 ist, wenn das Bauelement vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand schaltet, wobei IDS der Strom ist, der während des Übergangs vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand in das Bauelement fließt, und wobei das Produkt aus der Spannung VDS und dem Strom IDS über eine Periodendauer integriert wird, während der das Bauelement vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand schaltet. Während des Übergangs vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand steigt die Spannung VDS von einigen Volt bis zur Sperrspannung, die letztlich an dem Bauelement gehalten wird. Diese Sperrspannung kann bis zu einigen einhundert Volt betragen. Äquivalente Verluste treten auf, wenn das Bauelement vom ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand schaltet, d.h., wenn die Feldelektroden 21 entladen werden.
  • Bei einem Halbleiterbauelement, das mehrere Feldelektrodenstrukturen 20 aufweist, die in der Stromflussrichtung (wie beispielsweise in den 13–15 gezeigt) beabstandet sind, werden die Feldelektroden 21 derjenigen Feldelektrodenstrukturen, die sich nahe an dem Übergang 12 befinden (und die von der Raumladungszone zuerst erreicht werden) geladen, wenn die Spannung VDS zwischen den Anschlüssen 31, 32 relativ gering ist, während diejenigen Feldelektrodenstrukturen, die weiter von dem Übergang 12 beabstandet sind (d.h. näher an der Drain- oder Emitterzone 15 sind) geladen werden, wenn die Spannung VDS zwischen den Anschlüssen 31, 32 bereits relativ groß ist. Wenn näherungsweise dieselbe Menge elektrischer Ladung erforderlich ist, jede der einzelnen Feldelektroden zu laden, ist die Energie, die erforderlich ist, um diejenigen Feldelektroden zu laden, die weiter vom Übergang 12 beabstandet sind und die geladen werden, wenn die Spannung VDS bereits relativ groß ist, höher als die Energie, die erforderlich ist, um diejenigen Feldelektroden zu laden, die sich näher an dem Übergang 12 befinden und die geladen werden, wenn die Spannung VDS relativ gering ist.
  • Um die Gesamt-Schaltverluste die auftreten, wenn das Bauelement vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand (oder vom ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand) schaltet, zu reduzieren, ist es wünschenswert, ein Halbleiterbauelement zu haben, bei dem diejenigen Feldelektroden 21, die weiter vom Übergang 12 beabstandet sind als andere Feldelektroden 21, geladen/entladen werden, wenn die Spannung VDS über dem Bauelement schon/bereits relativ gering ist. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Halbleiterbauelements ist in den 22 bis 24 gezeigt.
  • 22 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Halbleiterbauelements, das eine Vielzahl (wenigstens zwei) Feldelektrodenstrukturen aufweist, die in der Stromflussrichtung x beabstandet sind. 23 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Halbleiterbauelements in einer in 22 gezeigten vertikalen Schnittebene B-B, und 24 zeigt eine horizontale Schnittansicht sich des Halbleiterbauelements in der in 22 gezeigten Schnittebene C-C. Das in den 22 bis 24 gezeigte Halbleiterbauelement ist als Transistorbauelement implementiert, im Besonderen als vertikaler MOSFET. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel, das Halbleiterbauelement könnte ebenso gut als bipolare Diode oder als Schottky-Diode implementiert sein. Weiterhin ist es ebenso gut möglich, das Halbleiterbauelement anstelle als vertikales Halbleiterbauelement als laterales Halbleiterbauelement zu implementieren.
  • Bei dem in den 20 bis 24 gezeigten Transistorbauelement ist die Bauelementzone 13 eine Bodyzone, die an eine Driftzone 11 angrenzt. Weiterhin weist das Transistorbauelement wenigstens eine Bauelementzelle mit einer Bodyzone 13, einer Sourcezone 14 und einer Gateelektrode 41 auf. Die Gateelektrode 41 ist durch ein Gatedielektrikum 42 dielektrisch gegenüber der Bodyzone 13 isoliert, und die Bodyzone 13 ist zwischen der Driftzone 11 und der Sourcezone 14 angeordnet. Bezugnehmend auf 22 sind die Sourcezone 14 und die Bodyzone 13 an einen Sourceanschluss S angeschlossen. Optional kontaktiert der Sourceanschluss S die Bodyzone 13 über eine stärker dotierte Kontaktzone 18 vom selben Leitungstyp wie die Bodyzone 13. Eine Dotierungskonzentration der stärker dotierten Zone 18 kann dergestalt sein, dass ein ohmscher Kontakt zwischen einer Sourceelektrode (in 22 nicht gezeigt) vorliegt, der den Sourceanschluss S bildet (oder an den Sourceanschluss S angeschlossen ist), und der Kontaktzone 18.
  • Das Transistorbauelement kann eine Vielzahl von Bauelementzellen aufweisen (in 22 ist von diesen nur eine Bauelementzelle gezeigt), die dadurch parallel geschaltet sind, dass ihre Gateelektroden 41 an den Gateanschluss G angeschlossen sind, und dadurch, dass ihre Sourcezonen 14 an den Sourceanschluss S angeschlossen sind. Die einzelnen Bauelementzellen können die Driftzone 11 und die Drainzone 15 gemeinsam besitzen. Die hier vorangehend unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele erläuterten Einzelheiten betreffend einen Dotierungstyp und eine Dotierungskonzentration der Sourcezone 14, der Bodyzone 13, der Driftzone 11 und der Drainzone 15 gelten ebenso für das Transistorbauelement gemäß 22.
  • Bezugnehmend auf 22 weist das Halbleiterbauelement weiterhin eine Kopplungszone 17 von einem zweiten Dotierungstyp komplementär zum ersten Dotierungstyp der Driftzone 11 auf. Diese Kopplungszone 17 ist elektrisch an die Bodyzone 13 (die Bauelementzone) gekoppelt und bildet mit der Driftzone 11 einen pn-Übergang. Die Feldelektrodenstrukturen, die in 22 lediglich schematisch dargestellt sind, können entsprechend irgendeinem der vorangehend hierin erläuterten Ausführungsbeispiele implementiert werden. Bezugnehmend auf die vorangehend hierin unter Bezugnahme auf die 1 bis 21 erläuterten Ausführungsbeispiele kann eine jede der einzelnen Feldelektrodenstrukturen 20 eine Feldelektrode 21 aufweisen, ein Feldelektrodendielektrikum 22, sowie wenigstens eine von einer Generationszone 50 und einer Feldstoppzone 23. Die Kopplungszone 17 ist mit Feldelektroden 21 der einzelnen Feldelektrodenstrukturen 20 gekoppelt. Hierzu kann die Kopplungszone 17 von an wenigstens eine(s) von der Feldelektrode 21 und dem Feldelektrodendielektrikum 22, der Feldstoppzone 23 und der Generationszone 50 angrenzen. Im ersten Fall ist die Kopplungszone elektrisch direkt an die Feldelektrode 21 gekoppelt. Im zweiten Fall ist die Kopplungszone 17 über das Feldelektrodendielektrikum 22 kapazitiv mit der Feldelektrode 21 gekoppelt. Die Kopplung der Kopplungszone 17 mit den einzelnen Feldelektroden 21 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 26 ausführlicher erläutert.
  • Bezugnehmend auf die 22 und 23 erstreckt sich die Kopplungszone 17 von der Bodyzone 13 in der Stromflussrichtung x (welches bei diesem Ausführungsbeispiel die vertikale Richtung des Halbleiterkörpers 100 ist) in die Driftzone 11 und zu der Feldelektrodenstruktur 20, die am Weitesten von dem Übergang 12 beabstandet ist, so dass die Feldelektrode 21 einer jeden der Feldelektrodenstrukturen 20 mit der Kopplungszone 17 gekoppelt ist.
  • Bei dem in 22 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gateelektrode 41 der Bauelementzelle eine längliche Grabenelektrode, die sich in der zweiten lateralen Richtung y erstreckt. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Ebenso möglich, die Gateelektrode als planare Elektrode auf der Oberseite des Halbleiterkörpers 100 zu implementieren, oder die Bauelementzelle mit einer Grabenelektrode zu implementieren, die eine Säulenform aufweist.
  • Bei dem in den 22 bis 24 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Feldelektrodenstrukturen 20 langgestreckte Strukturen, die sich longitudinal in eine erste laterale Richtung z des Halbleiterkörpers 100 erstrecken. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gibt es eine Vielzahl von Feldelektrodenstrukturen, die in einer zur ersten lateralen Richtung z senkrechten horizontalen Richtung voneinander beabstandet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Kopplungszone 17 ebenfalls langgestreckt und erstreckt sich longitudinal in einer zweiten lateralen Richtung y, die verschieden ist von der ersten lateralen Richtung z. Bei einer Ausgestaltung verläuft die zweite laterale Richtung senkrecht zur ersten lateralen Richtung z, so dass ein Winkel von 90° zwischen der ersten und zweiten lateralen Richtung z, y vorliegt. Allerdings ist es ebenso möglich, eine langgestreckte Kopplungszone 17 und langgestreckte Feldelektrodenstrukturen 20 derart zu implementieren, dass ein Winkel zwischen der Kopplungszone 17 und den Feldelektrodenstrukturen 20 kleiner ist als 90°, beispielsweise zwischen 30° und 90°.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Gateelektrode 41 eine langgestreckte Grabenelektrode ist, kann eine Längsrichtung der Grabenelektrode im Wesentlichen parallel zu der zweiten lateralen Richtung y verlaufen. In diesem Fall verläuft die Gateelektrode 41 parallel zu der Kopplungszone 17.
  • Bezugnehmend auf 24 können zwei oder mehr Kopplungszonen 17 (zwei oder mehr Abschnitte von einer Kopplungszone) vorliegen, die in der ersten lateralen Richtung z beabstandet sind und von denen eine jede mit der Bauelementzone 13 (Bodyzone) gekoppelt ist. Bei dem in 24 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kopplungszonen 17 langgestreckte Kopplungszonen, die im Wesentlichen parallel verlaufen. Allerdings ist es ebenso möglich, die langgestreckten Kopplungszonen derart zu implementieren, dass sie nicht parallel verlaufen (so dass eine die andere durchschneidet).
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das Halbleiterbauelement mehrere säulenförmige Kopplungszonen 17 aufweisen.
  • 25 zeigt eine horizontale Schnittansicht eines Halbleiterbauelements mit säulenförmigen Kopplungszonen 17. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die einzelnen Kopplungszonen 17 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Diese Kopplungszonen könnten ebenso gut mit einem anderen Querschnitt implementiert werden wie beispielsweise einem elliptischen Querschnitt oder einem polygonalen Querschnitt.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) weist die Kopplungszone 17 in der horizontalen Ebene (wie beispielsweise die in den 24 und 25 gezeigte Schnittebene C-C) des Halbleiterkörpers 100 die Form eines Gitters auf.
  • Bei dem in den 22 bis 24 und 25 gezeigten Ausführungsbeispiel grenzt die Kopplungszone 17 an jede der Feldelektrodenstrukturen 20 an, so dass die Kopplungszone 17 mit der Feldelektrode einer jeden der Feldelektrodenstrukturen gekoppelt ist. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung (nicht gezeigt) ist die Kopplungszone 17 mit den Feldelektroden nur einiger der Feldelektrodenstrukturen gekoppelt. In diesem Fall kann die Kopplungszone 17 mit den Feldelektroden 21 nur derjenigen Feldelektrodenstrukturen 20 gekoppelt sein, die weiter vom Übergang 12 beabstandet sind als ein vorgegebener Abstand. Dieser vorgegebene Abstand beträgt, beispielsweise, 30% oder 50% einer Länge der Driftzone 11 in der Stromflussrichtung x.
  • 26 veranschaulicht einen Abschnitt des Halbleiterbauelements genauer. Bei diesem in 26 gezeigten Abschnitt bilden die Kopplungszone 17 und die Driftzone 11 einen pn-Übergang, und die Kopplungszone 17 ist mit der Feldelektrode 21 einer Feldelektrodenstruktur 20 gekoppelt, die in der perspektivischen Schnittansicht gemäß 16 gezeigt ist. Eine andere Feldelektrodenstruktur ist in einer vertikalen Schnittansicht in 26 gezeigt. Bei dem in 26 gezeigten Ausführungsbeispiel weist jede Feldelektrodenstruktur 20 eine Feldelektrode 21 auf, die derart gewählt ist, dass eine Grenzfläche zwischen der Feldelektrode 21 und der Driftzone 11 eine Generationszone 50 zwischen der Feldelektrode 21 und der Driftzone 11 bildet. Dies wurde vorangehend in Verbindung mit 7, auf die Bezug genommen wird, erläutert, so dass die Feldelektrode 21 eines der in Verbindung mit der unter Bezugnahme auf 7 erläuterten Materialien aufweisen kann. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Feldelektrode 21 ein monokristallines Halbleitermaterial von einem zum Dotierungstyp der Driftzone 11 komplementären Dotierungstyp auf.
  • Bei dem in 26 gezeigten Ausführungsbeispiel grenzt die Kopplungszone 17 an die Feldelektrode 21 an, so dass die Feldelektrode 21 direkt mit der Kopplungszone 17 gekoppelt ist.
  • Die Betriebsweise eines Halbleiterbauelements, wie es in den 22 bis 24 und 25 gezeigt ist und das eine Feldelektrodenstruktur aufweist, wie sie in den 26 gezeigt ist, wird nachfolgend erläutert. Allerdings gilt diese Betriebsweise entsprechend ebenso gut für Ausgestaltungen mit anderen Feldelektrodenstrukturen. Zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, dass das Halbleiterbauelement ein MOSFET vom Typ „n“ ist mit einer n-dotierten Driftzone 11, n-dotierten Source- und Drainzonen 14, 15, einer p-dotierten Bodyzone 13, und einer p-dotierten Kopplungszone 17, die mit der p-dotierten Bodyzone 13 gekoppelt ist.
  • Im eingeschalteten Zustand, wenn eine positive Spannung zwischen dem zweiten Lastanschluss 32 (Drainanschluss D) und dem ersten Lastanschluss 31 (Sourceanschluss S) anliegt, entspricht die Spannung zwischen der Driftzone 11, die über die Drainzone 15 an den Drainanschluss D angeschlossen ist, und der Kopplungszone 17, die über die Bodyzone 13 an den Sourceanschluss S angeschlossen ist, der Spannung zwischen den Drain- und Sourceanschlüssen D, S. Da die Spannung zwischen den Drain- und Sourceanschlüssen D, S relativ gering ist, wenn sich das Halbleiterbauelement im eingeschalteten Zustand befindet, gibt es keine signifikanten Verarmungszonen in der Driftzone 11 entlang des pn-Übergangs zwischen der Driftzone 11 und der Kopplungszone 17, wenn sich das Bauelement im eingeschalteten Zustand befindet.
  • Wenn das Halbleiterbauelement ausgeschaltet wird, steigt die Spannung zwischen den ersten und zweiten Lastanschlüssen 31, 32 und folglich zwischen der Driftzone 11 und der Kopplungszone 17. Diese Spannung zwischen der Driftzone 11, die durch die Generationszone 50 mit der Feldelektrode 21 gekoppelt ist, und der Kopplungszone 17, die mit der Feldelektrode 21 gekoppelt ist, verursacht ein elektrisches Feld in der Feldelektrode 21, wobei dieses elektrische Feld bewirkt, dass die Generationszone 50 zwei Arten von Ladungsträgern erzeugt, nämlich Ladungsträger vom Typ „n“ (Elektronen), die sich in der Feldelektrode 21 ansammeln, und Ladungsträger vom Typ „p“, die in die Driftzone 11 emittiert werden. Die Ladungsträger vom Typ „n“ stellen Gegenladungen zu ionisierten Dotierstoffatomen (vom Typ „n“) in der Driftzone 11 dar. Dies entspricht dem vorangehend hierin erläuterten Funktionsprinzip von Halbleiterbauelementen, die eine Generationszone 50 aufweisen, mit dem Unterschied, dass in den einzelnen in den 22 bis 26 gezeigten Feldelektrodenstrukturen 20, die eine Feldelektrode 21 aufweisen, welche durch die Kopplungszone 17 mit der Bodyzone 13 gekoppelt ist, die Erzeugung von Ladungsträgern und ein Aufladen der einzelnen Feldelektroden 21 bereits beginnt, wenn die Spannung, die den Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorspannt, relativ gering ist.
  • Bei dem (den) Halbleiterbauelement(en) der 22 bis 26 sind die einzelnen Feldelektrodenstrukturen 20 über eine Kopplungszone 17 mit der Bodyzone 13 gekoppelt und über die Driftzone 11 mit der Drainzone 15. Deshalb sind zum Beginn des Abschaltprozesses die Spannungen über den einzelnen Feldelektrodenstrukturen 20 näherungsweise gleich, so dass in jeder der Feldelektrodenstrukturen 20 in einem frühen Stadium des Abschaltvorgangs Gegenladungen erzeugt werden, was bedeutet, bei geringen Lastspannungen.
  • Bei dem Halbleiterbauelement gemäß den 22 bis 26 wird ein großes Volumen der Driftzone 11 zwischen den ersten und zweiten Lastanschlüssen 31, 32 bei relativ geringen Spannungen ausgeräumt, so dass Schaltverluste gering sind. Gegenladungen zu ionisierten Dotierstoffatomen in der Driftzone 11 werden durch die Kopplungszone 17 und durch die Feldelektrodenstrukturen 20 bereitgestellt, so dass keine Dotierladungsbalance zwischen der Driftzone 11 und der Kopplungszone 17 erforderlich ist.
  • Bei dem in 26 gezeigten Ausführungsbeispiel grenzt die Kopplungszone 17 an die Feldelektrode 21 an, so dass die Kopplungszone 17 direkt mit der Feldelektrode 21 gekoppelt ist, und sie koppelt das elektrische Potential der Kopplungszone 17 (das zu Beginn des Schaltvorgangs das Source-Potential ist) mit der Feldelektrode 21. Bei weiteren Ausgestaltungen grenzt die Kopplungszone 17 nicht an die Feldelektrode 21 an, ist aber kapazitiv durch das Feldelektrodendielektrikum 22 und/oder durch eine andere dielektrische Schicht, die die Feldelektrode 21 von der Kopplungszone 17 separiert, mit der Feldelektrode 21 kapazitiv gekoppelt. Das Funktionsprinzip eines Halbleiterbauelements, bei dem die Kopplungszone 17 lediglich kapazitiv mit der Elektrode 21 gekoppelt ist, entspricht dem vorangehend hierin erläuterten Funktionsprinzip eines Halbleiterbauelements, bei dem die Kopplungszone direkt mit der Feldelektrode 21 gekoppelt ist.
  • Dieses Funktionsprinzip gilt entsprechend für ein Halbleiterbauelement, bei dem die Feldelektrodenstruktur 20 alternativ oder zusätzlich zu einer Generationszone 50 eine Feldstoppzone 23 aufweist. 27 zeigt eine perspektivische Schnittansicht, die der in 26 gezeigten Schnittansicht entspricht, mit dem Unterschied, dass die in 27 gezeigte Feldelektrodenstruktur eine Feldstoppzone 23 aufweist, die die Feldelektrode 21 mit der Driftzone 11 anstelle mit einer Generationszone 50 koppelt. Die Feldstoppzone 23 und die Feldelektrode 21 können entsprechend einem beliebigen der vorangehend hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele implementiert werden. Bei diesen Ausführungsbeispielen erzeugt die Feldstoppzone 23 Ladungsträger, die in der Feldelektrode 21 angesammelt werden, wenn eine Raumladungszone die Feldstoppzone 23 erreicht. Der Unterschied zwischen diesen Ausführungsbeispielen und dem Ausführungsbeispiel gemäß 27 besteht darin, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 27 eine Raumladungszone (ein elektrisches Feld) die Feldstoppzone 23 erreicht, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen 31, 32 relativ gering ist. Dies ist der Fall aufgrund der Kopplung der Feldelektrode 21 mit der Bodyzone 13 durch die Kopplungszone. Die Kopplungszone 17 kann direkt mit der Feldelektrode 21 gekoppelt sein (d.h., die Kopplungszone 17 kann an die Feldelektrode 21 angrenzen), und/oder sie kann kapazitiv mit der Feldelektrode gekoppelt sein.
  • Obwohl unter Bezugnahme auf die 26 und 27 nur zwei Ausführungsbeispiele zur Implementierung der Feldelektrodenstrukturen 20 erläutert wurden, wird darauf hingewiesen, dass jede beliebige vorangehend hierin unter Bezugnahme auf 1 bis 21 erläuterte Feldelektrodenstruktur 20 bei einem Halbleiterbauelement verwendet werden kann, bei dem die Feldelektrode 21 mit der Kopplungszone 17 gekoppelt ist.
  • Während die Spannung, die den Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorspannt, weiter ansteigt, breitet sich eine Verarmungszone in der Kopplungszone 17 und der Driftzone 11 aus, bis die Kopplungszone 17 vollständig von Ladungsträgern ausgeräumt ist. Eine Dotierungskonzentration der Kopplungszone 17 kann einer Dotierungskonzentration der Driftzone 11 entsprechen, allerdings könnte sie auch größer oder kleiner sein als die Dotierungskonzentration der Driftzone 11.
  • Gemäß einer Ausgestaltung sind die Kopplungszone 17, die Driftzone 11 und die Feldelektrodenstrukturen 20 derart aneinander angepasst, dass eine Spannung US, die zwischen den Anschlüssen 31, 32 angelegt werden muss, um die Kopplungszone vollständig auszuräumen, einer Spannung UF entspricht, die zwischen den Anschlüssen 31, 32 anzulegen ist, um die Driftzone 11 zwischen zwei benachbarten Feldelektrodenstrukturen 20 vollständig auszuräumen. Das heißt: UF = US (2)
  • Dies wird anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf eine in 24 gezeigte Bauelementstruktur erläutert. Eine vergrößerte Ansicht dieser Bauelementstruktur ist in 28 gezeigt. Bei dem in 28 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Driftzone 11 eine Vielzahl von Driftzonenabschnitten auf, wobei ein jeder dieser Driftzonenabschnitte in der zweiten lateralen Richtung y zwischen zwei benachbarten Feldelektroden 20 angeordnet ist, und in der ersten lateralen Richtung z zwischen zwei benachbarten Kopplungszonen 17. Weiterhin weist die Kopplungszone eine Vielzahl von Kopplungszonenabschnitten auf, wobei jeder dieser Kopplungszonenabschnitte der ersten lateralen Richtung z zwischen Driftzonenabschnitten angeordnet ist.
  • Wenn das Halbleiterbauelement derart betrieben wird, dass der Übergang 12 in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, so dass sich eine Raumladungszone in den Driftzonenabschnitten 11 und den Kopplungszonenabschnitten 17 entlang eines pn-Übergangs zwischen jenen Driftzonenabschnitten 11 und Kopplungszonenabschnitten 17 erstreckt, und so, dass die Feldelektroden 21 geladen werden, werden Gegenladungen zu ionisierten Dotierungsladungen in den Driftzonenabschnitten 11 durch ionisierte Dotierungsladungen in den Kopplungszonen 17 bereitgestellt, sowie durch in der Feldelektrode 21 akkumulierte Ladungen, wohingegen Gegenladungen zu ionisierten Dotierstoffladungen in den Kopplungszonenabschnitten durch ionisierte Dotierstoffladungen in der Driftzone 11 bereitgestellt werden.
  • Bei der in 28 gezeigten Struktur ist Gleichung (2) erfüllt, wenn
    Figure DE102014107833B4_0002
    wobei dpS die Weite des Kopplungszonenabschnitts 17 in der ersten lateralen Richtung z ist, dnS die Weite des Driftzonenabschnitts 11 in der ersten lateralen Richtung z ist, dnF die Weite des Driftzonenabschnitts 11 in der zweiten lateralen Richtung y ist, εSi die Elektrizitätskonstante des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers 100, wie beispielsweise Silizium, ist, und εOX die Elektrizitätskonstante des Materials des Feldelektrodendielektrikums 22, wie beispielsweise Siliziumoxid, ist. ES ist die elektrische Feldstärke eines lateralen elektrischen Feldes am pn-Übergang zwischen dem Kopplungszonenabschnitt 17 und dem Driftzonenabschnitt 11, wenn der Driftzonenabschnitt 11 und der Kopplungszonenabschnitt 17 vollständig ausgeräumt sind, und EF ist die elektrische Feldstärke eines lateralen elektrischen Feldes an einer Grenze zwischen dem Feldelektrodendielektrikum 22 und dem Driftzonenabschnitt 11, wenn der Driftzonenabschnitt 11 vollständig ausgeräumt ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement derart implementiert, dass ES und EF gleich sind, d.h.: ES = EF (4).
  • In diesem Fall
    Figure DE102014107833B4_0003
  • Im Fall, dass der Halbleiterkörper 100 Silizium aufweist und das Feldelektrodendielektrikum 22 Siliziumoxid aufweist, ist εSi/εOX = 3, so dass dpS = 12·dOX (5b).
  • Allgemein gemäß einer Ausgestaltung
    Figure DE102014107833B4_0004
    insbesondere
    Figure DE102014107833B4_0005
  • Die Dicke dOX des Feldelektrodendielektrikums 22 ist abhängig von der Durchschlagfestigkeit des Materials des Feldelektrodendielektrikums 22, sowie abhängig von einer gewünschten maximalen Spannung, der das Feldelektrodendielektrikum 22 standhalten soll. Gemäß einer Ausgestaltung weist das Feldelektrodendielektrikum 22 Siliziumoxid mit einer Durchschlagfestigkeit von 2 MV/cm auf. Lediglich für erläuternde Zwecke wird angenommen, dass das Feldelektrodendielektrikum 140 V standhalten sollte. In diesem Fall beträgt die Dicke dOX wenigstens 700 nm (Nanometer). Eine Weite dFE der Feldelektrode beträgt beispielsweise zwischen 5 Mikrometer (µm) und 10 Mikrometer, wie beispielsweise 7 Mikrometer. Die Weite dpS der Kopplungszone 17 kann basierend auf der Dicke des Feldelektrodendielektrikums 22 unter Verwendung der Gleichungen (5a)–(6b) berechnet werden.
  • Die maximale Weite dnS der Driftzone 11 in der ersten lateralen Richtung beträgt beispielsweise zwischen 100 Mikrometern und 300 Mikrometern.
  • Bei dem in 28 gezeigten Ausführungsbeispiel bezeichnet dpD den Abstand zwischen den Mitten zweier benachbarter Kopplungszonen 17 in der ersten lateralen Richtung z durch dpD bezeichnet (dies wird im Folgenden auch als Kopplungszonenpitch bezeichnet) und dnD bezeichnet den Abstand zwischen den Mitten zweier benachbarter Feldelektrodenstrukturen in der zweiten lateralen Richtung (dies wird nachfolgend auch als Feldelektrodenstrukturpitch bezeichnet). Gemäß einer Ausgestaltung ist der Kopplungszonenpitch dpD größer als der Feldelektrodenstrukturpitch dnD. Gemäß einer Ausgestaltung liegt der Kopplungszonenpitch dpD zwischen dem 3-fachen und 100-fachen des Feldelektrodenstrukturpitches dnD (3dnD ≤ dpD ≤ 100dnD), und insbesondere zwischen dem 10-fachen und dem 100-fachen des Feldelektrodenstrukturpitches dnD (10dnD ≤ dpD ≤ 100dnD). Der Kopplungszonenpitch dpD ist gegeben durch die Weite dnS der Driftzone 11 in der ersten lateralen Richtung z plus der Weite dpS der Kopplungszone 17, d.h., dpD = dnS + dpS.
  • 29 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, das als Diode implementiert ist. Die Bauelementstruktur dieser Diode entspricht der Bauelementstruktur des in den 22 bis 24 gezeigten Bauelements mit dem Unterschied, dass die Bauelementzone 13 entweder eine Emitterzone mit einem Dotierungstyp komplementär zum Dotierungstyp der Driftzone 11 ist, oder eine Schottky-Zone. Anstelle einer Drainzone weist die Diode eine weitere Emitterzone 15 auf.
  • 30 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Feldelektrodenstruktur 20, die in den vorangehend erläuterten Halbleiterbauelementen verwendet werden kann. Diese Feldelektrodenstruktur 20 weist eine Elektrodenschicht 21 entlang der Unterseite und der Seitenwände des Feldelektrodendielektrikums 22 auf, und einen Hohlraum 52, der durch die Elektrodenschicht und die Driftzone 11 festgelegt ist. Eine Generationszone 50 ist zwischen der Elektrodenschicht 21 und der Driftzone 11 gebildet. Die Feldelektrode 21 kann eines der zuvor erläuterten Materialien aufweisen, das geeignet ist, an einem Übergang zwischen der Feldelektrode 21 und der Driftzone 11 eine Generationszone zu bilden, z. B. ein Metall, ein polykristallines Halbleitermaterial, Kohlenstoff oder dergleichen. Bei den zuvor erläuterten Feldelektrodendielektrika 22 kann das Feldelektrodendielektrikum 22 eine Ladungsträgerfalle 27 für Ladungsträger eines Ladungsträgertyps komplementär zu den in der Feldelektrode 21 eingefangenen Ladungsträgern aufweisen.

Claims (29)

  1. Halbleiterbauelement, das aufweist: eine Driftzone (11) von einem ersten Dotierungstyp; einen Übergang (12) zwischen der Driftzone (11) und einer Bauelementzone (13); mehrere Feldelektrodenstrukturen (20), die in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements beabstandet zueinander in der Driftzone (11) angeordnet sind, wobei jede der mehreren Feldelektrodenstrukturen (20) eine Feldelektrode (21) aufweist; und eine Kopplungszone (17) von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp, wobei die Kopplungszone (17) elektrisch an die Bauelementzone (13) und die Feldelektrode (21) jeder der mehreren Feldelektrodenstrukturen (20) gekoppelt ist, wobei jede der mehreren Feldelektrodenstrukturen weiterhin aufweist: ein Feldelektrodendielektrikum (22), das an die Feldelektrode (21) angrenzt, zwischen der Feldelektrode (21) und der Driftzone (11) angeordnet ist und eine Öffnung (26) aufweist, und wenigstens eines von einer Feldstoppzone (23) und einer Generationszone (50).
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Kopplungszone (17) an wenigstens eines von der Feldelektrode (21), der Feldstoppzone (23), der Generationszone (50) und dem Feldelektrodendielektrikum (22) angrenzt.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Kopplungszone (17) nur in einem Bereich des Feldelektrodendielektrikums (22) an die Feldelektrodenstruktur (20) angrenzt.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Feldstoppzone (23) den ersten Dotierungstyp aufweist und stärker dotiert ist als die Driftzone (11).
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Feldstoppzone (23) die Feldelektrode (21) durch die Öffnung (26) des Feldelektrodendielektrikums (22) mit wenigstens einer von der Driftzone (11) und der Kopplungszone (17) verbindet.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Feldstoppzone (23) wenigstens teilweise innerhalb des Feldelektrodendielektrikums (22) angeordnet ist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, wobei die Feldstoppzone (23) vollständig innerhalb des Feldelektrodendielektrikums (22) angeordnet ist.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Kontaktzone (24) zwischen der Feldelektrode (21) und der Feldstoppzone (23) angeordnet ist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Feldstoppzone (23) die Feldelektrode (21) vollständig von der Driftzone (11) trennt.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Abschnitt der Feldelektrode (21) an die Driftzone (11) angrenzt.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die wenigstens eine von der Feldstoppzone (23) und der Generationszone (50) in einer Richtung senkrecht zu einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements nicht weiter als 200 nm über das Feldelektrodendielektrikum (22) hinaus in die Driftzone (11) hinein erstreckt.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1–10, wobei sich die wenigstens eine von der Feldstoppzone (23) und der Generationszone (50) in einer Richtung senkrecht zu einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements nicht über das Feldelektrodendielektrikum (22) hinaus erstreckt.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Generationszone (50) die Feldelektrode (21) mit der Driftzone (11) durch die Öffnung des Feldelektrodendielektrikums (22) verbindet.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Generationszone (50) in der Feldelektrode (21) angeordnet ist.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Generationszone (50) wenigstens teilweise innerhalb des Feldelektrodendielektrikums (22) angeordnet ist.
  16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, wobei die Generationszone (50) vollständig innerhalb des Feldelektrodendielektrikums (22) angeordnet ist.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Generationszone (50) eine Grenzfläche zwischen der Feldelektrode (21) und der Driftzone (11) aufweist.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1–16, wobei die Generationszone (50) einen Hohlraum aufweist.
  19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Feldelektrode (21) wenigstens ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: einem Metall; einer Metall-Halbleiter-Verbindung; monokristallinem Halbleitermaterial, das Dotierstoffatome aufweist; einem polykristallinen Halbleitermaterial, das Dotierstoffatome aufweist; und einem monokristallinem Halbleitermaterial, das Fremdmaterialatome oder Kristalldefekte aufweist.
  20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, wobei die Dotierstoffatome Dotierstoffatome von einem ersten oder zweiten Dotierungstyp sind.
  21. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feldelektrodendielektrikum (22) eine Länge aufweist, die sich in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements erstreckt, und das eine Weite aufweist, die sich i einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung erstreckt, und wobei ein Verhältnis zwischen der Länge und der Weite größer ist als 1.
  22. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (26) des Feldelektrodendielektrikums (22) in der Richtung des Übergangs (12) angeordnet ist.
  23. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Feldelektrodenstruktur (20) eine Abschirmzone (25) aufweist, die in einer Stromflussrichtung des Halbleiterbauelements beabstandet zu der Öffnung des Feldelektrodendielektrikums (22) angeordnet ist.
  24. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine von der Feldstoppzone (23), der Generationszone (50) und der Feldelektrode (21) derart implementiert ist, dass sie an das Feldelektrodendielektrikum (22) einer benachbarten Feldelektrodenstruktur (20) angrenzt.
  25. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement als MOS-Transistor implementiert ist, wobei die Bauelementzone eine Halbleiterzone von einem zweiten Dotierungstyp ist und eine Bodyzone bildet, und wobei der MOS-Transistor weiterhin aufweist: eine Sourcezone (14), wobei die Bodyzone (13) zwischen der Driftzone (11) und der Sourcezone (14) angeordnet ist; eine Drainzone (14), wobei die Driftzone (11) zwischen der Drainzone (15) und der Bodyzone (13) angeordnet ist; und eine Gateelektrode (41), die benachbart zu der Bodyzone (13) angeordnet und durch ein Gatedielektrikum (42) von der Bodyzone (13) dielektrisch isoliert ist.
  26. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1–24, wobei das Halbleiterbauelement als Bipolardiode implementiert ist, und wobei die Bauelementzone von einem zweiten Dotierungstyp ist und eine Emitterzone bildet.
  27. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1–24, wobei das Halbleiterbauelement als Schottky-Diode implementiert ist, und wobei die Bauelementzone eine Schottky-Zone ist.
  28. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feldelektrodendielektrikum (22) im Wesentlichen U-förmig ist.
  29. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (26) des Feldelektrodendielektrikums (22) in einem Bereich des Feldelektrodendielektrikums (22) angeordnet ist, der in eine Richtung des Übergangs (12) gerichtet ist.
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