DE102015104723A1 - Bipolares Transistorbauelement mit einem Emitter, der zwei Arten von Emittergebieten aufweist - Google Patents

Bipolares Transistorbauelement mit einem Emitter, der zwei Arten von Emittergebieten aufweist Download PDF

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Abstract

Offenbart ist ein bipolares Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper aufweist, der eine erste Oberfläche besitzt; und ein Basisgebiet eines ersten Dotierungstyps und ein erstes Emittergebiet in dem Halbleiterkörper, wobei das erste Emittergebiet an die erste Oberfläche angrenzt und eine Vielzahl von Emittergebieten eines ersten Typs mit einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp aufweist, eine Vielzahl von Emittergebieten eines zweiten Typs vom zweiten Dotierungstyp, eine Vielzahl von Emittergebieten eines dritten Typs vom ersten Dotierungstyp, und ein Rekombinationsgebiet, das Rekombinationszentren aufweist, wobei sich die Emittergebiete vom ersten Typ und die Emittergebiete vom zweiten Typ von der ersten Oberfläche in den Halbleiterkörper hinein erstrecken, wobei die Emittergebiete vom ersten Typ eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen und sich von der ersten Oberfläche tiefer in den Halbleiterkörper hinein erstrecken als die Emittergebiete vom zweiten Typ, wobei die Emittergebiete vom dritten Typ an die Emittergebiete vom ersten Typ und die Emittergebiete vom zweiten Typ angrenzen, und wobei das Rekombinationsgebiet zumindest in den Emittergebieten vom ersten Typ und den Emittergebieten vom dritten Typ angeordnet ist.

Description

  • Diese Offenbarung betrifft allgemein ein bipolares Transistorbauelement wie beispielsweise einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) werden häufig zum Schalten unterschiedlicher elektrischer Lasten eingesetzt. Beispielsweise können IGBTs bei Leistungswandlungsanwendungen, elektrischen Antriebsanwendungen oder Beleuchtungsanwendungen eingesetzt werden, um nur einige zu nennen.
  • Bei einem IGBT handelt es sich um ein spannungsgesteuertes MOS-Transistorbauelement, das ein Kollektorgebiet (oft als Draingebiet bezeichnet) und ein Emittergebiet (oft als Sourcegebiet bezeichnet) aufweist, die unterschiedliche Dotierungstypen (Leitfähigkeitstypen) aufweisen. Ein IGBT enthält außerdem eine Gateelektrode, die durch ein zu einem Bodygebiet benachbartes Gatedielektrikum gegenüber dem Bodygebiet dielektrisch isoliert ist und sich benachbart zu dem Bodygebiet von dem Emittergebiet bis zu einem Basisgebiet (Driftgebiet) erstreckt. Das Basisgebiet ist zwischen dem Bodygebiet und dem Kollektorgebiet angeordnet. In einem eingeschalteten Zustand des IGBTs erzeugt die Gateelektrode einen leitenden Kanal in dem Bodygebiet zwischen dem Emittergebiet und dem Basisgebiet, so dass das Emittergebiet Ladungsträger eines ersten Leitfähigkeitstyps in das Driftgebiet injizieren kann. Zugleich injiziert das Kollektorgebiet Ladungsträger eines zweiten Leitfähigkeitstyps in das Basisgebiet, wobei die Ladungsträger vom ersten und zweiten Leitfähigkeitstyp ein Ladungsträgerplasma in dem Basisgebiet bilden. Dieses Ladungsträgerplasma führt zu vergleichsweise geringen Leitungsverlusten des IGBTs.
  • Relevante Betriebsparameter eines IGBTs sind die Sättigungsspannung (oft als VCEsat bezeichnet), die Abschaltverluste (oft als Eoff bezeichnet), und die Stromfestigkeit (die auch als Kurzschlussfähigkeit bezeichnet werden kann). Letztere kann entweder durch den Strompegel des maximalen Stroms definiert werden, den der IGBT für eine bestimmte, vorgegebene Dauer (z.B. 10 µs) leiten kann, ohne zerstört zu werden, oder durch den Strompegel, der erforderlich ist, um den IGBT zu zerstören. Bei einer herkömmlichen Auslegung eines IGBTs gibt es einen Kompromiss zwischen der Sättigungsspannung und den Schaltverlusten derart, dass die Schaltverluste ansteigen, wenn die Sättigungsspannung abfällt, und umgekehrt. Außerdem gibt es einen Kompromiss zwischen den Schaltverlusten und der Stromfestigkeit derart, dass die Stromfestigkeit ansteigt, wenn die Schaltverluste ansteigen.
  • Daher besteht ein Bedarf, die Stromfestigkeit eines bipolaren Halbleiterbauelements, wie beispielsweise eines IGBTs zu erhöhen.
  • Eine Ausgestaltung betrifft ein bipolares Halbleiterbauelement. Das bipolare Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper auf, der eine erste Oberfläche und ein Basisgebiet von einem ersten Dotierungstyp und ein erstes Emittergebiet in dem Halbleiterkörper aufweist. Das erste Emittergebiet grenzt an die erste Oberfläche an und enthält eine Vielzahl von Emittergebieten eines ersten Typs mit einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp, eine Vielzahl von Emittergebieten eines zweiten Typs vom zweiten Dotierungstyp, eine Vielzahl von Emittergebieten eines dritten Typs vom ersten Dotierungstyp, und ein Rekombinationsgebiet, das Rekombinationszentren aufweist. Die Emittergebiete vom ersten Typ und die Emittergebiete vom zweiten Typ erstrecken sich von der ersten Oberfläche in den Halbleiterkörper hinein. Die Emittergebiete vom ersten Typ besitzen eine höhere Dotierungskonzentration und erstrecken sich von der ersten Oberfläche tiefer in den Halbleiterkörper hinein als die Emittergebiete vom zweiten Typ, und die Emittergebiete vom dritten Typ grenzen an die Emittergebiete vom ersten Typ und die Emittergebiete vom zweiten Typ an, und das Rekombinationsgebiet befindet sich zumindest in den Emittergebieten vom ersten Typ und den Emittergebieten vom dritten Typ.
  • Eine weitere Ausgestaltung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Emittergebiets in einem bipolaren Halbleiterbauelement. Das Verfahren weist das Implementieren von Dotierstoffatomen eines ersten Leitfähigkeitstyps in erste Oberflächenabschnitte einer ersten Oberfläche eines Halbleiterkörpers und das Abdecken zweiter Oberflächenabschnitte der ersten Oberfläche während der Implantation auf; bei einem ersten Aktivierungsprozess wird zumindest ein Teil der bei dem ersten Implantationsprozess implantierten Dotierstoffatome aktiviert, um erste dotierte Gebiete unterhalb der ersten Oberflächenabschnitte zu erzeugen; bei einem zweiten Implantationsprozess werden Dotierstoffatome vom ersten Leitfähigkeitstyp in die ersten Oberflächenabschnitte und die zweiten Oberflächenabschnitte implantiert; und in einem zweiten Aktivierungsprozess wird lediglich ein Teil der bei dem zweiten Implantationsprozess implantierten Dotierstoffatome aktiviert, um zweite dotierte Gebiete und Rekombinationsgebiete derart zu erzeugen, dass die Rekombinationsgebiete von den zweiten Oberflächenabschnitten weiter beabstandet sind als die zweiten dotierten Gebiete.
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Beispiele erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur die zum Verständnis dieser Prinzipien erforderlichen Aspekte dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.
  • 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleiterkörpers, der ein erstes Emittergebiet eines bipolaren Halbleiterbauelements aufweist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 2A–2B veranschaulichen Dotierungskonzentrationen der in 1 gezeigten Halbleitergebiete;
  • 3 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleiterkörpers, der ein erstes Emittergebiet und ein Feldstoppgebiet aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 4A–4B veranschaulichen Dotierungskonzentrationen der in 3 gezeigten Halbleitergebiete;
  • 5 zeigt längliche Emittergebiete eines ersten Typs und längliche Emittergebiete eines zweiten Typs des ersten Emittergebiets in einer horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers;
  • 6 zeigt ringförmige Emittergebiete vom ersten Typ und ringförmige Emittergebiete vom zweiten Typ des ersten Emittergebiets in einer horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers;
  • 7 zeigt gitterförmige Emittergebiete vom ersten Typ und rechteckige Emittergebiete vom zweiten Typ des ersten Emittergebiets in einer horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers;
  • 8 zeigt rechteckige Emittergebiete vom ersten Typ und rechteckige Emittergebiete vom zweiten Typ des ersten Emittergebiets in einer horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers;
  • 9 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines bipolaren Halbleiterbauelements, das als Diode implementiert ist;
  • 10 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines bipolaren Halbleiterbauelements, das als IGBT implementiert ist;
  • 11 zeigt ein inneres Gebiet und ein Randgebiet des Halbleiterkörpers;
  • 12 zeigt Schaltverluste gegenüber den Sättigungsspannungen verschiedener IGBTs, die mit unterschiedlichen ersten Emittergebieten implementiert sind;
  • 13 zeigt die Stromfestigkeit (Zerstörungsströme) gegenüber den Sättigungsspannungen verschiedener IGBTs, die mit unterschiedlichen ersten Emittergebieten implementiert sind;
  • 14A–14B zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erzeugung von Emittergebieten vom ersten Typ und von Emittergebieten vom zweiten Typ;
  • 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Feldstoppgebiets;
  • 16 zeigt das Erzeugen zumindest eines Emittergebiets vom dritten Typ;
  • 17 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Emittergebiets vom dritten Typ; und
  • 18 zeigt weitere Ausführungsbeispiele des zumindest einen dritten Emittergebiets.
  • 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines bipolaren Halbleiterbauelements. Bezug nehmend auf 1 enthält das Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper 100 mit einer ersten Oberfläche 101. Der Halbleiterkörper 100 enthält außerdem eine zweite Oberfläche entgegengesetzt der ersten Oberfläche 101. Allerdings befindet sich diese zweite Oberfläche außerhalb der Ansicht gemäß 1. 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht des Halbleiterkörpers 100, das heißt, eine Ansicht in einer Schnittebene, die senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 verläuft. Der Halbleiterkörper 100 kann ein herkömmliches Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) oder dergleichen aufweisen. Nachfolgend beziehen sich Beispiele von Dotierungskonzentrationen und Dotierstoffdosen auf einen Halbleiterkörper 100, der Silizium aufweist. Allerdings können diese Dotierungskonzentrationen und Dotierstoffdosen leicht an einen Halbleiterkörper 100 angepasst werden, der ein anderes Material als Silizium aufweist. Beispielsweise können die nachfolgend erwähnten Dotierungskonzentrationen und -dosen leicht an die Verwendung in einem Halbleiterkörper angepasst werden, der SiC enthält, indem die erwähnten Dotierungskonzentrationen mit 10 (1E1) multipliziert werden. Ähnlich beziehen sich die nachfolgend erwähnten Abmessungen auf ein Halbleiterbauelement, das einen auf Silizium basierenden Halbleiterkörper aufweist. Sofern sich diese Abmessungen auf Abmessungen in einer Stromflussrichtung des Bauelements beziehen, können diese Abmessungen leicht an die Verwendung in einem auf SiC basierenden Halbleiterkörper angepasst werden, indem die erwähnten Abmessungen durch 10 (1E1) dividiert werden.
  • Das Halbleiterbauelement weist ein Basisgebiet 10 (das auch als Driftgebiet bezeichnet werden kann) eines ersten Dotierungstyps (Leitfähigkeitstyps) und ein erstes Emittergebiet 20 auf. Das erste Emittergebiet 20 grenzt an die erste Oberfläche 101 an und weist eine Vielzahl von Emittergebieten 21 eines ersten Typs und eine Vielzahl von Emittergebieten 22 eines zweiten Typs auf. Die Emittergebiete 21 vom ersten Typ und die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ sind dotierte Gebiete eines zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyps. Das erste Emittergebiet 20 enthält ferner eine Vielzahl von Emittergebieten 23 eines dritten Typs vom ersten Dotierungstyp, und ein Rekombinationsgebiet 24, welches Rekombinationszentren enthält. Ein jedes der Vielzahl der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und ein jedes der Vielzahl der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ erstreckt sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 hinein. Das Halbleiterbauelement kann ferner eine erste Elektrode 31 auf der ersten Oberfläche 101 aufweisen. Diese erste Elektrode 31 kontaktiert die Emittergebiete 21 vom ersten Typ und die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Dotierungskonzentrationen der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ an der ersten Oberfläche 101 dergestalt, dass ein ohmscher Kontakt zwischen der ersten Elektrode 31 und diesen Gebieten 21, 22 vorliegt.
  • Die Emittergebiete 21 vom ersten Typ erstrecken sich tiefer in den Halbleiterkörper 100 hinein als die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ. In 1 bezeichnet d1 eine Abmessung der Emittergebiete 21 vom ersten Typ in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100. Die "vertikale Richtung" des Halbleiterkörpers 100 ist eine Richtung senkrecht zu der ersten Oberfläche 101. Ähnlich bezeichnet d2 eine Abmessung der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt d1 zwischen 100 Nanometer (nm) und 2 Mikrometern (µm), insbesondere zwischen 300 nm und 1 µm, und d2 beträgt zwischen 50 nm und 1 µm, insbesondere zwischen 60 nm und 300 nm. Ein Verhältnis d1/d2 zwischen diesen Abmessungen der Emittergebiete 21 vom ersten Typ bzw. der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ beträgt beispielsweise zwischen 1,5 und 5, insbesondere zwischen 2 und 4. Weiterhin ist eine elektrisch aktive Dotierungskonzentration der Emittergebiete 21 vom ersten Typ höher als eine elektrisch aktive Dotierungskonzentration der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ, oder eine elektrisch aktive Dotierungsdosis der Emittergebiete 21 vom ersten Typ ist höher als eine elektrisch aktive Dotierungsdosis der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ. Die "elektrisch aktive Dotierungskonzentration" gibt die Anzahl der aktivierten Dotierstoffatome pro Volumen (üblicherweise pro cm3) an, und die "Dosis elektrisch aktiver Dotierstoffe" bezeichnet die Gesamtzahl der aktivierten Dotierstoffatome, die in eine vorgegebene Oberfläche (üblicherweise 1 cm2) der ersten Oberfläche 101 des betreffenden Emittergebiets vom ersten Typ oder vom zweiten Typ eingebracht wurden. "Aktivierte Dotierstoffatome" sind elektrisch aktive Dotierstoffatome, die in das Kristallgitter des Halbleiterkörpers 100 eingebracht sind, so dass diese Dotierstoffatome einen Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit leisten können (das heißt, im Fall von Dotierstoffen vom Typ "n" Elektronen bereitstellen können und im Fall von Dotierstoffen vom Typ "p" Elektronen aufnehmen können. Sofern nicht anders angegeben, bedeutet "Dotierstoffkonzentration", wie es hierin verwendet wird, elektrisch aktive Dotierungskonzentration.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt eine maximale Dotierungskonzentration in dem Emittergebiet 21 vom ersten Typ zwischen 1,5E16 cm–3 und 1,5E20 cm–3, insbesondere zwischen 1E17 cm–3 und 1E19 cm–3, oder zwischen 2E17 cm–3 und 2E18 cm–3. Die maximale Dotierungskonzentration im Emittergebiet 22 vom zweiten Typ beträgt zwischen 1E16 cm–3 und 1E19 cm–3, insbesondere zwischen 3E16 cm–3 und 1E18 cm–3, oder zwischen 1E17 cm–3 und 1E18 cm–3. Es sei N21/N22 ein Verhältnis zwischen der Dotierungskonzentration in dem Emittergebiet 21 vom ersten Typ und der Dotierungskonzentration in dem Emittergebiet 22 vom zweiten Typ. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt dieses Verhältnis N21/N22 zwischen 1,5 und 1E4, zwischen 2 und 100, oder zwischen 2,5 und 10.
  • Bezug nehmend auf 1 grenzen die Emittergebiete 23 vom dritten Typ an die Emittergebiete 21 vom ersten Typ und die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ an. Insbesondere grenzt jedes der Vielzahl der Emittergebiete 23 vom dritten Typ in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 an eines der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ an und ist zwischen zwei benachbarten Emittergebieten 21 vom ersten Typ angeordnet. Das Rekombinationsgebiet 24 ist in den Emittergebieten 21 vom ersten Typ und den Emittergebieten 23 vom dritten Typ angeordnet. Optional sind Abschnitte des Rekombinationsgebiets 24 auch in den Emittergebieten 22 vom zweiten Typ angeordnet. Das heißt, das Rekombinationsgebiet 24 kann sich in die Emittergebiete vom zweiten Typ hinein erstrecken. Allerdings ist dies in 1 nicht gezeigt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich das Rekombinationsgebiet 24 in den Emittergebieten 21 vom ersten Typ, allerdings befindet es sich nicht in jenen Abschnitten des Basisgebiets 10 (oder des Feldstoppgebiets 41, siehe 3), die in der Stromflussrichtung an die Emittergebiete 21 vom ersten Typ angrenzen. Die "Stromflussrichtung" ist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die vertikale Richtung des Halbleiterkörpers.
  • 2A veranschaulicht schematisch die Dotierungskonzentration von einem der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und des Basisgebiets 10 entlang einer Linie, die in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 verläuft. 2B veranschaulicht schematisch die Dotierungskonzentration eines der Vielzahl der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ und des Basisgebiets 10 entlang einer Linie, die in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 verläuft. Bezug nehmend auf die 2A und 2B ist die Dotierungskonzentration der Emittergebiete 21 vom ersten Typ höher als die Dotierungskonzentration der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ, und die Dotierungskonzentration der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ ist höher als die Dotierungskonzentration des Basisgebiets 10. Beispielsweise ist die Dotierungskonzentration ausgewählt aus einem Bereich zwischen 5E12 cm–3 und 5E14 cm–3.
  • Bezug nehmend auf 3, die ebenfalls eine vertikale Querschnittsansicht des bipolaren Halbleiterbauelements zeigt, kann das bipolare Halbleiterbauelement außerdem ein Feldstoppgebiet 41 aufweisen. Das Feldstoppgebiet 41 ist zwischen dem Basisgebiet 10 und dem ersten Emittergebiet 20 angeordnet und weist denselben Dotierungstyp auf, wie das Basisgebiet 10. Das Feldstoppgebiet 41 besitzt eine höhere Dotierungskonzentration als das Basisgebiet 10. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Feldstoppgebiet 41 derart implementiert, dass eine Spitzendotierungskonzentration ausgewählt ist aus einem Bereich von zwischen 5E14 cm–3 und 5E15 cm–3. Eine Dotierstoffdosis des Feldstoppgebiets 41 beträgt beispielsweise zwischen 0,5E12 cm–2 und 1E12 cm–2.
  • Ein Dotierungsprofil des Feldstoppgebiets 41 in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 kann ausgewählt werden aus mehreren unterschiedlichen Dotierungsprofilen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Dotierungskonzentration des Feldstoppgebiets 41 in der vertikalen Richtung zwischen dem Basisgebiet 10 und den Emittergebieten 21 vom ersten Typ im Wesentlichen konstant. Dies ist schematisch in 4A veranschaulicht, die schematisch die Dotierungskonzentration in einem der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und dem angrenzenden Feldstoppgebiet 41 zeigt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (in 4A anhand gestrichelter Linien veranschaulicht) besitzt das Dotierungsprofil des Feldstoppgebiets 41 zwei oder mehr Dotierungsmaxima. Die maximale Dotierungskonzentration in jedem dieser Maxima ist höher als die Dotierungskonzentration des Basisgebiets 10. Eine minimale Dotierungskonzentration zwischen diesen beiden Maxima kann höher sein als die Dotierungskonzentration des Basisgebiets 10, im Wesentlichen gleich der Dotierungskonzentration des Basisgebiets 10, oder geringer als die Dotierungskonzentration des Basisgebiets 10. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzen diese Maxima unterschiedliche Spitzenkonzentrationen, wohingegen die Spitzenkonzentration mit ansteigendem Abstand des betreffenden Maximums von der ersten Oberfläche 101 abfällt.
  • Bezug nehmend auf 4B, die die Dotierungskonzentration entlang einer vertikalen Linie veranschaulicht, die durch eines der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ, das Emittergebiet 23 vom dritten Typ, das Feldstoppgebiet 41 und das Basisgebiet 10 verläuft, kann die Dotierungskonzentration in den Emittergebieten 23 in Richtung der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ abfallen. Das heißt, die Emittergebiete 23 vom dritten Typ können ihre maximale Dotierungskonzentration in einem Gebiet aufweisen, in dem sie an das Feldstoppgebiet 41 angrenzen, und ihre minimale Dotierungskonzentration in einem Gebiet, in dem sie an die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ angrenzen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Feldstoppgebiet 41 in das Emittergebiet 23 vom dritten Typ. Beispielsweise kann das Feldstoppgebiet 41 seine maximale Dotierungskonzentration in einem Gebiet aufweisen, in dem das Feldstoppgebiet 41 an das Emittergebiet 22 vom zweiten Typ angrenzt.
  • In der horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers 100 gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Emittergebiete 21 vom ersten Typ bzw. die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ auszugestalten. Unter Bezugnahme auf die nachfolgenden 5–8 werden einige Beispiele erläutert. Jede dieser Figuren zeigt eine horizontale Querschnittsansicht eines Abschnitts des Halbleiterkörpers 100. Insbesondere zeigt von den 5–8 eine jede einen Abschnitt des Halbleiterkörpers 100 in einer horizontalen Schnittebene A-A, die durch die Emittergebiete 21 vom ersten Typ und die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ verläuft. Die Lage der horizontalen Schnittebene A-A in dem Halbleiterkörper 100 ist in den 1 und 3 gezeigt.
  • Bezug nehmend auf 5 kann es sich sowohl bei den Emittergebieten 21 vom ersten Typ als auch den Emittergebieten 22 vom zweiten Typ um längliche Halbleitergebiete handeln. In 5 sind mehrere Ausführungsbeispiele gezeigt, wie längliche Emittergebiete 21 vom ersten Typ implementiert werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Emittergebiete 21 vom ersten Typ in ihrer Längsrichtung zusammenhängend. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält ein längliches Gebiet 21 zwei oder mehr längliche Teilgebiete 211, 212, 213, die in ihrer Längsrichtung beabstandet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzen die länglichen Emittergebiete vom ersten Typ entlang der Längsrichtung eine im Wesentlichen konstante Breite. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel variiert die Breite entlang der Längsrichtung zwischen einer minimalen Breite und einer maximalen Breite. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Breite das Doppelte der minimalen Breite. Allgemeiner liegt ein Verhältnis zwischen der maximalen Breite und der minimalen Breite zwischen 1,5 und 100, insbesondere zwischen 1,8 und 10.
  • Die Emittergebiete 21 vom ersten Typ in einem Bauelements können mit derselben Form implementiert sein, beispielsweise mit einer der in 5 gezeigten Formen. Allerdings ist es ebenso möglich, in einem Bauelement die Emittergebiete vom ersten Typ mit unterschiedlichen Formen zu implementieren.
  • Gemäß einem weiteren, in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Emittergebiete 21 vom ersten Typ und die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ als konzentrische Ringe implementiert. Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Mitte durch eines der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ gebildet. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Es ist ebenso möglich, dass sich ein Emittergebiet 21 vom ersten Typ in der Mitte der Vielzahl konzentrischer Ringe befindet. Lediglich zum Zweck der Erläuterung handelt es sich bei den in 6 gezeigten, konzentrischen Ringen um rechteckige Ringe. Es wird darauf hingewiesen, dass jede andere Art von konzentrischen Ringen wie beispielsweise kreisförmige Ringe, elliptische Ringe, polygonale Ringe oder dergleichen ebenso gut verwendet werden können.
  • Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die Vielzahl der Emittergebiete 21 vom ersten Typ ein gitterförmiges Halbleitergebiet, das die Vielzahl der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ umgibt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzen die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ eine rechteckige Form. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ könnten ebenso gut mit einer elliptischen Form, einer kreisförmigen Form, einer polygonalen Form oder dergleichen implementiert sein. Es ist sogar möglich, unterschiedliche Formen der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ in einem Halbleiterbauelement zu haben.
  • Gemäß einem anderen (nicht gezeigten) Ausführungsbeispiel bildet die Vielzahl der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ ein gitterförmiges Halbleitergebiet, das die Vielzahl der Emittergebiete 21 vom ersten Typ umgibt.
  • Gemäß noch einem weiteren, in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt ein jedes der Vielzahl der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und ein jedes der Vielzahl der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ eine rechteckige Form, so dass die Gesamtanordnung der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ einem Schachbrett ähnelt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Emittergebiete 21 vom ersten Typ und die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ derart implementiert, dass in der ersten Oberfläche 101 ein Verhältnis zwischen der Gesamtfläche der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und einer Gesamtfläche der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ zwischen 0,05 und 5, insbesondere zwischen 0,1 und 1 beträgt.
  • Die hierin vorangehend erläuterte Topologie mit dem ersten Emittergebiet 20, dem Basisgebiet 10 und dem optionalen Feldstoppgebiet 21 kann in einer beliebigen Art von bipolarem Halbleiterbauelement wie beispielsweise einer Diode, einem IGBT, einem BJT (Bipolar-Transistor) oder einem Thyristor implementiert sein.
  • 9 veranschaulicht schematisch eine vertikale Querschnittsansicht einer bipolaren Diode, die mit einem ersten Emittergebiet 20 der vorangehend erläuterten Art implementiert ist. In 9 (ebenso wie in der nachfolgend erläuterten 10) ist das erste Emittergebiet 20 nur schematisch dargestellt. Im Hinblick auf Details des ersten Emittergebiets 20 wird Bezug auf die vorangehend hierin erläuterten 1–8 genommen. Außer dem ersten Emittergebiet 20 und dem Basisgebiet 10 enthält die in 9 gezeigte Diode ein zweites Emittergebiet 51 vom ersten Dotierungstyp. Das zweite Emittergebiet 51 grenzt an das Basisgebiet 10 an und besitzt eine höhere Dotierungskonzentration als das Basisgebiet 10. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt die Dotierungskonzentration des Basisgebiets 10 (für Siliziumbauelemente) zwischen 5E12 cm–3 und 5E14 cm–3, während die Dotierungskonzentration des zweiten Emittergebiets 51 zwischen 1E19 cm–3 und 1E21 cm–3 beträgt. Das zweite Emittergebiet 51 befindet sich im Bereich der zweiten Oberfläche 102 des Halbleiterkörpers 100. Eine zweite Elektrode 32 ist auf der zweiten Oberfläche 102 angeordnet und kontaktiert das zweite Emittergebiet 51 ohmsch. In der Diode ist das optionale Feldstoppgebiet 41 zwischen dem zweiten Emittergebiet 51 und dem Basisgebiet 10 angeordnet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Dotierungstyp (der Dotierungstyp des Basisgebiets 10, des zweiten Emittergebiets 51 und des optionalen Feldstoppgebiets 41) vom Typ "n", und der zweite Typ (der Dotierungstyp der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ) ist vom Typ "p". Bei diesem Ausführungsbeispiel bildet die erste Elektrode 31 eine Anode A der Diode, und die zweite Elektrode 32 bildet eine Kathode K der Diode.
  • 10 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines IGBTs. Der IGBT enthält außer dem ersten Emittergebiet 20, dem Basisgebiet 10 und dem optionalen Feldstoppgebiet 41 zumindest eine Transistorzelle mit einem zweiten Emittergebiet 62 vom ersten Dotierungstyp, ein Bodygebiet 61 vom zweiten Dotierungstyp, sowie eine Gateelektrode 63. Die Gateelektrode 63 befindet sich benachbart zu dem Bodygebiet 61 und ist durch ein Gatedielektrikum 64 dielektrisch gegenüber dem Bodygebiet 61 isoliert. In 10 sind mehrere derartiger Transistorzellen gezeigt. Der Gesamt-IGBT kann mehrere Tausend, mehrere Zehntausend, mehrere Hunderttausend oder mehr Transistorzellen aufweisen. Die einzelnen Transistorzellen sind parallel geschaltet, indem ihre zweiten Emittergebiete 62 (die auch als Sourcegebiete bezeichnet werden können) an die zweite Elektrode 32 angeschlossen sind. Die zweite Elektrode 32 bildet einen Emitterknoten (Emitteranschluss) E des IGBTs. Die erste Elektrode 31 bildet einen Kollektor C des IGBTs. Die Gateelektroden 63 sind an eine gemeinsame Gateanode G angeschlossen. Diese Verbindung der Gateelektroden 61 mit der Gateanode G ist in 10 nur schematisch dargestellt. Auch wenn die Gateelektroden 63 gezeichnet sind, wird darauf hingewiesen, dass diese Gateelektroden 63 Abschnitte einer zusammenhängenden Gateelektrode darstellen können, die in der horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers 100 eine Gitterform besitzen kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist bei dem in 10 gezeigten IGBT der erste Dotierungstyp (der Dotierungstyp des Basisgebiets 10, des optionalen Feldstoppgebiets 41 und der zweiten Emittergebiete 62) vom Typ "n", und der zweite Dotierungstyp (der Dotierungstyp der Emittergebiete 21 vom ersten Typ, der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ und der Bodygebiete 61) ist vom Typ "p". Bei dem Feldstoppgebiet kann es sich um einen Teil des dritten Emittergebiets 23 vom Typ "n" handeln.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der IGBT als rückwärtsleitender IGBT (RC-IGBT) implementiert. In diesem Fall enthält das Emittergebiet 20 Halbleitergebiete (Emitter-Kurzschlüsse) 26 (in 10 anhand gepunkteter Linien dargestellt) vom ersten Dotierungstyp, die sich von der ersten Oberfläche 101 durch das Emittergebiet 20 bis zu dem oder in das Basisgebiet 10 bzw. Feldstoppgebiet erstrecken.
  • 10 zeigt lediglich Abschnitte des IGBTs. Jene Gebiete des IGBTs, in denen sich Transistorzellen befinden, können als aktives Bauelementgebiet bezeichnet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel befindet sich der erste Emitter 20 mit den Emittergebieten 21 vom ersten Typ, den Emittergebieten 22 vom zweiten Typ und den Emittergebieten 23 vom dritten Typ nur unterhalb des aktiven Bauelementgebiets. Dies wird unter Bezugnahme auf 11 erläutert. 11 zeigt eine Gesamt-Querschnittsansicht eines Halbleiterkörpers 100, in den das bipolare Halbleiterbauelement integriert ist. Bezug nehmend auf 11 enthält der Halbleiterkörper 100 ein inneres Gebiet 110 (aktives Gebiet) und ein Randgebiet 120. Das Randgebiet 120 kann (wie gezeigt) zwischen einem Rand des Halbleiterkörpers 100 und dem inneren Gebiet 110 angeordnet sein. Alternativ ist das Randgebiet zwischen dem aktiven Gebiet 110 des bipolaren Halbleiters und dem aktiven Gebiet eines anderen Halbleiterbauelements (nicht gezeigt) angeordnet, das in denselben Halbleiterkörper integriert ist. Der "Rand" des Halbleiterkörpers 100 ist eine horizontale Oberfläche, die den Halbleiterkörper 100 in horizontalen Richtungen begrenzt.
  • Wie in 11 schematisch dargestellt ist, finden sich sowohl Emittergebiete 21 vom ersten Typ als auch Emittergebiete vom zweiten Typ nur im inneren Gebiet. In dem Randgebiet 120 sind zumindest die Emittergebiete 21 vom ersten Typ weggelassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Emitter 20 in dem Randgebiet 120 weggelassen. In diesem Fall kann eine Dotierungskonzentration in dem Randgebiet 120 der Dotierungskonzentration in dem Basisgebiet 10 entsprechen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält der erste Emitter 20 in dem Randgebiet ein Emittergebiet 22 vom zweiten Typ, das Emittergebiet 23 vom dritten Typ, und das Rekombinationsgebiet 24. Von diesen beiden Alternativen sorgen beide für eine niedrigere Trägerdichte im Randgebiet 120 verglichen mit dem inneren Gebiet 110, so dass im Fall des Abschaltens des Bauelements das Risiko eines dynamischen Lawinendurchbruchs verringert und die Abschaltfestigkeit verbessert sind. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält das Randgebiet 120 einen ersten Emitter 20 mit Emittergebieten 21 vom ersten Typ und Emittergebieten 22 vom zweiten Typ, wohingegen diese Gebiete 21, 22 derart implementiert sind, dass in dem Randgebiet ein Verhältnis zwischen einer Gesamtfläche der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ im Randgebiet 120 kleiner ist als im inneren Gebiet 110. Bei einem Bauelement, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, kann dies beispielsweise dadurch erreicht werden, dass w2 im Randgebiet 120 im Vergleich zum inneren Gebiet 110 erhöht wird und/oder indem w1 im Randgebiet 120 im Vergleich zum inneren Gebiet verringert wird. Optional können diese Auslegungsmaßnahmen, die die Stromdichte in dem Randgebiet 120 verringern, auch in ein Übergangsgebiet zwischen dem inneren Gebiet 110 und dem Randgebiet 120 implementiert werden, so dass sich dieses Übergangsgebiet bis zum 3-fachen der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in das innere Gebiet 110 hinein erstreckt, oder bis zum 1,5-fachen der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger. Beispielsweise kann bei einem IGBT die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im Wesentlichen gleich einer Länge (Dicke) des Driftgebiets 10 in der Stromflussrichtung sein.
  • Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass der erste Dotierungstyp vom Typ "n" und der zweite Dotierungstyp vom Typ "p" ist. Die in 9 gezeigte Diode kann in einem Vorwärtsbetrieb und einem Rückwärtsbetrieb betrieben werden. Im Vorwärtsbetrieb wird zwischen die Anode A und die Kathode K eine Spannung angelegt, die einen pn-Übergang zwischen dem Basisgebiet 10 und den Emittergebieten 21, 22 vom ersten und zweiten Typ des ersten Emitters 20 (bei dieser Spannung handelt es sich um eine positive Spannung, wenn der erste Dotierungstyp vom Typ "n" ist) vorgespannt wird. In dieser Betriebsart injiziert der erste Emitter 20 Ladungsträger vom zweiten Typ (Löcher) in das Basisgebiet 10, und der zweite Emitter 51 injiziert Ladungsträger vom ersten Typ (Elektronen) in das Basisgebiet 10. Die in das Basisgebiet 10 injizierten Ladungsträger vom ersten Typ und Ladungsträger vom zweiten Typ bilden ein Ladungsträgerplasma, das für niedrige Leistungsverluste der Diode sorgt. Im Rückwärtsbetrieb wird eine (negative) Spannung zwischen die Anode A und die Kathode K angelegt, so dass ein pn-Übergang zwischen den Emittergebieten 21, 22 vom ersten Typ und vom zweiten Typ und des Basisgebiets 10 (bzw. der Emittergebiete 23 vom dritten Typ) in Rückwärtsrichtung vorgespannt wird. In diesem Fall breitet sich ein Verarmungsgebiet (Raumladungsgebiet) in dem Basisgebiet 10 aus, so dass ein Stromfluss durch die Diode verhindert wird.
  • Im Zusammenhang mit dem IGBT wird nur der Vorwärtsbetrieb ausführlicher erläutert. Der IGBT befindet sich im Vorwärtsbetrieb, wenn eine positive Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter E angelegt wird. Im Vorwärtsbetrieb kann der IGBT in einem eingeschalteten Zustand und einem ausgeschalteten Zustand betrieben werden. In dem eingeschalteten Zustand werden die Gateelektroden 63, indem sie über die Gateelektrode G ein geeignetes Ansteuerpotential erhalten, derart angesteuert, dass sie in den Bodygebieten 61 leitende Kanäle zwischen den zweiten Emittergebieten 62 (Sourcegebieten) und dem Basisgebiet 10 erzeugen. Über diese leitenden Kanäle injizieren die zweiten Emittergebiete 62 Ladungsträger vom ersten Typ (Elektronen) in das Basisgebiet 10, während das erste Emittergebiet 20 Ladungsträger vom zweiten Typ (Löcher) in das Basisgebiet 10 injiziert. Im ausgeschalteten Zustand werden die Gateelektroden 63 derart angesteuert, dass leitende Kanäle in den Bodygebieten 61 zwischen den zweiten Emittergebieten 62 und dem Basisgebiet 10 unterbrochen sind. In diesem Fall breitet sich in dem Basisgebiet 10 aufgrund der zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E angelegten, positiven Spannung beginnend bei einem pn-Übergang zwischen dem Basisgebiet 10 und den Bodygebieten 61 ein Verarmungsgebiet (Raumladungsgebiet) aus. Auf eine in 10 nicht im Detail veranschaulichte Weise sind die Bodygebiete 61 wie die zweiten Emittergebiete 62 an die zweite Elektrode 32 bzw. den Emitter E angeschlossen.
  • Nachfolgend wird die Funktionalität des ersten Emitters 20 im eingeschalteten Zustand des IGBTs (welcher dem in Vorwärtsrichtung vorgespannten Zustand der Diode entspricht) ausführlicher erläutert. In diesem Kontext wird auf die 1 und 3 Bezug genommen, in denen der erste Emitter 20 und die angrenzenden Bauelementgebiete ausführlich dargestellt sind. Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgende Erläuterung auf einem vereinfachten Modell basiert und sich auf die relevantesten Aspekte konzentriert. Im eingeschalteten Zustand injizieren die Emittergebiete 21 vom ersten Typ Ladungsträger vom zweiten Typ direkt in das Basisgebiet 10 (siehe 1), oder durch das optionale Feldstoppgebiet 41 in das Basisgebiet 10 (siehe 3). Die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ injizieren Ladungsträger vom zweiten Typ durch die Emittergebiete 23 vom dritten Typ in das Basisgebiet 10 oder durch die Emittergebiete 23 vom dritten Typ und das Feldstoppgebiet 41 in das Basisgebiet 10.
  • Im eingeschalteten Zustand des IGBTs kann ein Strompegel eines Stroms durch den IGBT definiert werden durch eine Last (nicht gezeigt), die mit der Kollektor-Emitter-Strecke C-E des IGBTs in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung mit der Last und dem IGBT an eine Versorgungsspannungsquelle angeschlossen ist. Abhängig von einer Betriebsmodus der Last kann der Strompegel zwischen relativ geringen Pegeln wie beispielsweise einigen 100 Milliampere (mA) und hohen Pegeln wie beispielsweise einigen 10 Ampere (A) variieren. Beispielsweise können hohe Strompegel (d.h. Strompegel, die höher als ein Mehrfaches des Nominalstroms sind) auftreten, wenn ein Kurzschluss in der Last auftritt. Nachfolgend wird ein Strompegel, dem der IGBT widerstehen kann, ohne zerstört zu werden, als maximaler Strompegel bezeichnet. Weiterhin wird eine Betriebsart, in der sich der Strompegel unterhalb eines vorgegebenen Strom-Schwellenwerts befindet, als Normalbetrieb bezeichnet, und eine Betriebsart, in der sich der Strompegel zwischen dem vorgegebenen Strompegel und dem maximalen Pegel befindet, wird als Hochstrombetrieb bezeichnet.
  • Wie nachfolgend erläutert wird, hilft der erste Emitter 20 dabei, im Normalbetrieb geringe Schaltverluste zu erzielen, und er hilft dabei, im Hochstrombetrieb einen hohen maximalen Strompegel zu erreichen. Im Normalbetrieb injizieren hauptsächlich die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ Ladungsträger in das Basisgebiet 10, während die Emittergebiete 21 vom ersten Typ weniger Ladungsträger als die Emittergebiete vom zweiten Typ injizieren. Der Grund hierfür wird nachfolgend erläutert.
  • Zwischen den Emittergebieten 21 vom ersten Typ und dem Basisgebiet 10 bzw. dem Feldstoppgebiet 41 gibt es erste pn-Übergänge; und zwischen den Emittergebieten 22 vom zweiten Typ und den Emittergebieten 23 vom dritten Typ gibt es zweite pn-Übergänge. Ein jeder dieser pn-Übergänge besitzt eine Built-In-Spannung Vbi.
  • Diese Built-In-Spannung des pn-Übergangs ist gegeben durch
    Figure DE102015104723A1_0002
    (siehe S. M. Sze: "Semiconductor Devices, Physics and Technology", Seite 73, Jon Wiley & Sons, 1985, ISBN 0-471-87424-8), wobei k die Boltzmann Konstante, T die absolute Temperatur, q die Elementarladung, ln der natürliche Logarithmus, NA die Dotierungskonzentration der an den pn-Übergang angrenzenden (Akzeptor-)-Schicht vom Typ "p", ND die Dotierungskonzentration der an den pn-Übergang angrenzenden (Donator-)-Schicht vom Typ "n", und ni die intrinsische Dotierung des zur Implementierung des pn-Übergangs verwendeten Halbleitermaterials ist. Beispielsweise beträgt ni in Silizium bei Raumtemperatur etwa 1,45E10 cm–3. Ladungsträger können über den pn-Übergang fließen, wenn zwischen das Gebiet vom Typ "p" und das Gebiet vom Typ "n" eine positive Spannung angelegt wird, und wenn der Spannungspegel dieser Spannung höher ist als die Built-In-Spannung.
  • Basierend auf Gleichung (1) ist eine Built-In-Spannung Vbi1 der ersten pn-Übergänge durch Dotierungskonzentrationen NA1 und ND1 jener Gebiete, die die ersten pn-Übergänge bilden, bestimmt. Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass der Dotierungstyp der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ vom Typ "p" ist. In diesem Fall bezeichnet NA1 die Dotierungskonzentration der Emittergebiete 21 vom ersten Typ, und ND1 bezeichnet die Dotierungskonzentration des Basisgebiets 10 (sofern kein Feldstoppgebiet vorhanden ist) oder jener Abschnitte des Feldstoppgebiets 41, die an die Emittergebiete 21 vom ersten Typ angrenzen (sofern ein Feldstoppgebiet vorhanden ist). Dementsprechend ist eine Built-In-Spannung Vbi2 der zweiten pn-Übergänge bestimmt durch eine Dotierungskonzentration NA2 der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ und eine Dotierungskonzentration ND2 der Emittergebiete 23 vom dritten Typ. Bezug nehmend auf die obige Erläuterung besitzen die Emittergebiete 21 vom ersten Typ eine höhere Dotierungskonzentration als die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ, das heißt, NA1 > NA2 (2).
  • Weiterhin kann die Dotierungskonzentration jener Gebiete der Emittergebiete 23 vom dritten Typ, die an die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ angrenzen, gleich der Dotierungskonzentration des Basisgebiets 10 sein (falls kein Feldstoppgebiet vorhanden ist), sie kann gleich der Dotierungskonzentration jener Abschnitte des Feldstoppgebiets 41 sein, die an die Emittergebiete 21 vom ersten Typ angrenzen, sie kann geringer oder sogar höher sein als die Dotierungskonzentration jener Abschnitte des Feldstoppgebiets 41, die an die Emittergebiete 21 vom ersten Typ angrenzen. Das heißt, in jedem Fall ist, ND1 ≥ ND2 (3a) oder ND1 < ND2 (3b).
  • Bezug nehmend auf die Gleichungen (1)–(2) und (3a), kann die Built-In-Spannung Vbi1 der ersten pn-Übergänge höher sein als die Built-In-Spannung Vbi2 der zweiten pn-Übergänge, das heißt, Vbi1 > Vbi2 (4). Falls, Bezug nehmend auf Gleichung (3b) gilt, dass ND1 < ND2 ist, kann NA1 so gewählt werden, dass es relativ zu NA2 hoch genug ist, dass Gleichung (4) erfüllt ist.
  • Der von der Last durch den IGBT getriebene Strom ist verbunden mit einer Spannung über den ersten pn-Übergängen und den zweiten pn-Übergängen. Es beginnt ein Strom durch den IGBT zu fließen, wenn die Spannung über den zweiten pn-Übergängen die zweite Built-In-Spannung Vbi2 erreicht. Zu dieser Zeit beginnen die Emittergebiete vom zweiten Typ, Ladungsträger vom zweiten Typ zu injizieren, während von den Emittergebieten 21 vom ersten Typ im Wesentlichen keine Ladungsträger vom zweiten Typ injiziert werden. Wenn ein durch den IGBT getriebener Strom ansteigt, steigt die Spannung über den ersten pn-Übergängen an, und die Emittergebiete 21 vom ersten Typ beginnen, Ladungsträger zu injizieren, wenn die Spannung über den ersten pn-Übergängen die erste Built-In-Spannung Vbi1 erreicht. Auf diese Weise hängt die Injektion von Ladungsträgern durch die Emittergebiete 21 vom ersten Typ und die Emittergebiete vom zweiten Typ von einem Strompegel (oder einem Stromdichtepegel) des Stroms durch den IGBT ab. Wenn sich der Strompegel unterhalb eines Stromschwellenwerts befindet, injizieren hauptsächlich die Emittergebiete vom zweiten Typ Ladungsträger, was der Fall ist, wenn sich der IGBT im normalen Betriebszustand befindet, und die Emittergebiete 21 vom ersten Typ und die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ injizieren Ladungsträger, wenn sich der Strompegel oberhalb des Stromschwellenwerts befindet, was der Fall ist, wenn sich der IGBT im Hochstrombetrieb befindet. Beispielsweise befindet sich der IGBT im Hochstrombetrieb, wenn sich der IGBT im eingeschalteten Zustand befindet und ein Kurzschluss in einer an die Laststrecke (Kollektor-Emitter-Strecke) des IGBTs angeschlossenen Last vorliegt.
  • Im Hochstrombetrieb ist es sowohl für die Emittergebiete 21 vom ersten Typ als auch die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ wünschenswert, den sogenannten Egawa- oder Kirk-Effekt zu verhindern, was wiederum die Stromfestigkeit erhöht. Lässt man sowohl die Emittergebiete 21 vom ersten Typ als auch die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ Ladungsträger injizieren, führt dies zu einer hohen Emitter-Effizienz des ersten Emitters 20 im Hochstrombetrieb. Allgemein erhöhen sich Schaltverluste (Abschaltverluste) in einem IGBT, wenn die Emitter-Effizienz ansteigt. Allerdings liegt der Fokus beim Hochstrombetrieb auf einer Erhöhung der Stromfestigkeit, indem extreme Spitzen der elektrischen Feldstärke in der Nähe des ersten Emitters 20 verhindert werden.
  • Im Normalbetrieb ist die Emitter-Effizienz des ersten Emitters 20 geringer als im Hochstrombetrieb, da lediglich die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ Ladungsträger injizieren. Dies führt zu geringen Schaltverlusten (Abschaltverlusten) im Normalbetrieb. Außerdem steigt die Emitter-Effizienz im Normalbetrieb an, wenn der Strompegel ansteigt. Dies wird nachfolgend erläutert.
  • Im Normalbetrieb ist die Emitter-Effizienz durch die Dotierungskonzentration der Emittergebiete vom zweiten Typ und durch das Vorhandensein des Rekombinationsgebiets 24 bestimmt. Bei einer gegebenen Dotierungskonzentration der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ ist die Emitter-Effizienz des IGBTs mit Rekombinationsgebiet 24 geringer als die Emitter-Effizienz eines vergleichbaren Emittergebiets ohne Rekombinationsgebiet 24. In dem Rekombinationsgebiet 24 rekombiniert ein Teil der von dem Emittergebiet 22 vom zweiten Typ in die Emittergebiete 23 vom dritten Typ injizierten Ladungsträger, so dass weniger Ladungsträger, als sie von den Emittergebieten 22 vom zweiten Typ injiziert werden, durch die Emittergebiete 23 vom dritten Typ in das Basisgebiet 10 fließen. Allerdings hängt die Rekombinationsrate in dem Rekombinationsgebiet 24 ab von der Stromdichte des durch das Rekombinationsgebiet fließenden Stroms ab, wohingegen sich die Rekombinationsrate verringert, wenn die Stromdichte ansteigt. Somit steigt die Ladungsträgerlebensdauer in dem Rekombinationsgebiet 24 an, wenn die Stromdichte ansteigt. Im Normalbetrieb entspricht dieser Anstieg der Ladungsträgerlebensdauer bei höheren Stromdichten einer ansteigenden Emitter-Effizienz bei einer ansteigenden Stromdichte.
  • Das Rekombinationsgebiet 24 in den Gebieten 23 vom dritten Typ vom ersten Dotierungstyp ist wirkungsvoller bei der Rekombination von Ladungsträgern vom zweiten Typ als das Rekombinationsgebiet 24 in den Emittergebieten 21 vom ersten Typ vom zweiten Dotierungstyp. Daher verringert auch das Rekombinationsgebiet 24 die Emitter-Effizienz von dem Teil des ersten Emittergebiets 20, der durch die Emittergebiete 21 vom ersten Typ gebildet ist, aber es verringert die Effizienz dieser Emittergebiete 21 vom ersten Typ weniger als die Effizienz des Teils des ersten Emitters 20, der durch die Emittergebiete 22 vom zweiten Typ gebildet wird.
  • Messungen haben gezeigt, dass der erste Emitter 20 mit den Emittergebieten 21, 22, 23 vom ersten Typ, vom zweiten Typ und vom dritten Typ hilft, die Stromfestigkeit des IGBTs zu erhöhen, ohne andere Performance-Parameter des IGBTs wie beispielsweise die Sättigungsspannung und die Schaltverluste zu verschlechtern.
  • 12 zeigt die Sättigungsspannung Vce,sat gegenüber den Abschaltverlusten Eoff von mehreren IGBTs, die mit unterschiedlichen ersten Emittergebieten implementiert wurden.
  • In 12 repräsentieren die Symbole "Dreieck", "X", "Stern", "Kreis" und "Plus" die Sättigungsspannung und die entsprechenden Abschalt-Schaltverluste von IGBTs, die, wie in den 1 und 3 gezeigt, mit einem ersten Emittergebiet 20 implementiert sind. Die "Diamant"-Symbole repräsentieren die Sättigungsspannung Vce,sat und die entsprechenden Schaltverluste Eoff von IGBTs, die mit einem herkömmlichen (homogenen) ersten Emitter implementiert sind. Die durch die "Diamanten" repräsentierten IGBTs wurden mit unterschiedlichen Dotierstoffdosen ihrer ersten Emitter erzeugt, wohingegen bei diesen herkömmlichen IGBTs die Sättigungsspannung ansteigt und sich die Schaltverluste verringern, wenn sich die Dotierungsdosis des ersten Emitters verringert. In 12 bezeichnet REF einen herkömmlichen IGBT, der eine ähnliche Sättigungsspannung Vce,sat und ähnliche Schaltverluste aufweist wie die IGBTs mit dem ersten Emitter 20 gemäß den 1 oder 3. Dieser IGBT wird nachfolgend als Referenzbauelement REF bezeichnet. Die durch das "Dreieck", das "X", den "Stern", den "Kreis", und das "Plus" repräsentierten IGBTs besitzen leicht unterschiedliche Sättigungsspannungen. Dies beruht auf der Tatsache, dass diese IGBTs mit unterschiedlichen Weiten w2 ihrer Emittergebiete vom zweiten Typ hergestellt wurden, während die Weite w1 des Emittergebiets 21 vom ersten Typ bei jedem dieser IGBTs im Wesentlichen dieselbe war.
  • 13 zeigt die Sättigungsspannung Vce,sat gegenüber dem Zerstörungsstrom Ice,dest des unter Bezugnahme auf 12 erläuterten IGBTs. Das "Diamant"-Symbol repräsentiert wiederum IGBTs mit einem herkömmlichen ersten Emittergebiet, und das "Dreieck", das "X", der "Stern", der "Kreis" und das "Plus" repräsentieren IGBTs mit einem ersten Emittergebiet, wie es in einer der 1 und 3 gezeigt ist. Aus 13 ist ersichtlich, dass der Zerstörungsstrom bei einem herkömmlichen ersten Emittergebiet ansteigt, wobei, Bezug nehmend auf die obige Erläuterung, eine geringere Sättigungsspannung Vce,sat aus einer höheren Dotierungsdosis des ersten Emittergebiets resultiert. Die IGBTs mit den Emittergebieten 21 vom ersten Typ und den Emittergebieten 22 vom zweiten Typ sind, auch wenn sie in Bezug auf die Sättigungsspannung und die Schaltverluste mit dem Referenzbauelement REF, das ein herkömmliches erstes Emittergebiet aufweist, vergleichbar sind, im Hinblick auf den Zerstörungsstrom überlegen. Bei diesem konkreten Ausführungsbeispiel liegen die Zerstörungsströme des IGBTs mit dem nicht-herkömmlichen ersten Emittergebiet 20 zwischen etwa dem Zweifachen und dem Dreifachen des Zerstörungsstroms des Referenzbauelements REF. Der konkrete Gewinn an dem Zerstörungsstrom Ice,dest im Vergleich zu dem Referenzbauelement REF hängt ab von der konkreten Auslegung des ersten Emitters, insbesondere von den Abmessungen der Emittergebiete 21 vom ersten Typ und der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ in der horizontalen und vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100.
  • Die 14A und 14B veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines ersten Emittergebiets 20. Bezug nehmend auf 14A weist das Verfahren das Erzeugen der Emittergebiete 21 vom ersten Typ durch Implantieren von Dotierstoffatomen vom zweiten Typ durch die erste Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 und durch Aktivieren der implantierten Dotierstoffatome auf. Das Implantieren der Dotierstoffatome umfasst die Verwendung einer Implantationsmaske 200 derart, dass Dotierstoffatome nur in jene Gebiete der ersten Oberfläche 101 implantiert werden, die nicht von der Implantationsmaske 200 abgedeckt sind. Die Implantationsdosis beträgt beispielsweise zwischen 1E14 cm–2 und 3E15 cm–2, insbesondere zwischen 6E14 cm–2 und 9E14 cm–2. Die Implantationsenergie beträgt beispielsweise zwischen 10 keV und 200 keV, insbesondere zwischen 15 keV und 70 keV. Optional umfasst das Implantieren der Dotierstoffatome einen weiteren Implantationsprozess mit höheren Implantationsenergien. Beispielsweise liegt die Implantationsdosis bei diesem zusätzlichen Implantationsprozess zwischen 1E12 cm–2 und 1E13 cm–2, insbesondere zwischen 3E12 cm–2 und 7E12 cm–2, und die Implantationsenergie beträgt zwischen 150 keV und 190 keV. Das Aktivieren der implantierten Dotierstoffatome kann einen Ausheilprozess umfassen, in dem zumindest jene Bereiche des Halbleiterkörpers 100, in die die Dotierstoffatome implantiert wurden, ausgeheilt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Ausheilprozess so gewählt, dass im Wesentlichen 100% der implantierten Dotierstoffatome aktiviert werden. Ein derartiger Ausheilprozess kann einen Laser-Ausheilprozess enthalten, der Bereiche des Halbleiterkörpers 100 nahe der Oberfläche 101 aufschmilzt. Das heißt, bei diesem Laser-Ausheilprozess wird eine Temperatur derart ausgewählt, dass der Bereich nahe der ersten Oberfläche 101 schmilzt. Vor dem Laser-Ausheilprozess kann die Implantationsmaske 200 entfernt werden.
  • Der Laser-Ausheilprozess ist so gewählt, dass eine Tiefe des geschmolzenen Gebiets im Wesentlichen der gewünschten Tiefe d1 der Emittergebiete 21 vom ersten Typ entspricht. Nach dem Laser-Ausheilprozess, das heißt, wenn der Halbleiterkörper 100 abkühlt, rekristallisiert das geschmolzene Halbleitergebiet und die implantierten Dotierstoffatome werden in das Kristallgitter des rekristallisierten Halbleitergebiets eingebaut. In dem geschmolzenen Halbleitergebiet diffundieren die dotierten Dotierstoffatome in der vertikalen Richtung (verteilen sich um), so dass die Dotierungskonzentration in den Emittergebieten 21 vom ersten Typ nach der Rekristallisation im Wesentlichen homogen sind. Die implantierten Dotierstoffatome diffundieren außerdem in der lateralen Richtung. Allerdings ist die Breite w1 des Emittergebiets 21 vom ersten Typ signifikant höher als die Tiefe d1, so dass die Diffusion in der lateralen Richtung vernachlässigbar ist. Das heißt, der Ausheilprozess führt nicht zu einer signifikanten Aufweitung der Emittergebiete 21 vom ersten Typ. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt ein Verhältnis w1/d1 im Bereich zwischen 2 und 100, insbesondere zwischen 5 und 50. d1 kann im Bereich zwischen 0,3 Mikrometern (µm) und 1 µm liegen, und w1 kann im Bereich zwischen 0,5 µm und 50 µm liegen, insbesondere zwischen 1 µm und 35 µm, oder zwischen 5 µm und 15 µm.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Laser-Ausheilprozess dergestalt, dass die Energie ausgewählt ist aus einem Bereich zwischen 1 J/cm2 und 10 J/cm2, insbesondere zwischen 1,5 J/cm2 und 4,5 J/cm2.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Ausheilprozess so gewählt, dass nur weniger als 100% der implantierten Ionen aktiviert werden. Das kann dadurch erreicht werden, dass die Ausheiltiefe im Hinblick auf die Implantationstiefe angepasst wird.
  • Bezug nehmend auf 14 enthält das Verfahren außerdem das Bilden der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ durch Implantieren zweiter Dotierstoffatome und teilweises Aktivieren der implantierten Dotierstoffatome. Das Implantieren der Dotierstoffatome vom zweiten Typ kann eine nicht-maskierte Implantation umfassen, so dass Dotierstoffatome in jene Bereiche der ersten Oberfläche 101 implantiert werden, die bei dem vorangehend erläuterten ersten Implantationsprozess durch die Implantationsmaske 200 abgedeckt waren, jedoch auch in die Emittergebiete 21 vom ersten Typ. Bei diesem zweiten Implantationsprozess liegt die Implantationsdosis beispielsweise zwischen 1E12 cm–2 und 1E15 cm–2, insbesondere zwischen 2E12 cm–2 und 1E14 cm–2, oder zwischen 3E12 cm–2 und 1E13 cm–2. Geeignete Dotierstoffatome sowohl in dem ersten Implantationsprozess als auch in dem zweiten Implantationsprozess sind Boratome, Aluminiumatome, Indiumatome und Galliumatome, wenn es sich bei dem zweiten Dotierungstyp um einen Typ "p" handelt.
  • Das Aktivieren der bei dem zweiten Implantationsprozess implantierten Dotierstoffatome vom zweiten Typ kann das nur teilweise Aktivieren der implantierten Dotierstoffatome enthalten. Das heißt, es wird nur ein Teil der implantierten Dotierstoffatome aktiviert. Das teilweise Aktivieren der implantierten Dotierstoffatome kann einen Ausheilprozess bei Temperaturen zwischen 300°C und 500°C enthalten, insbesondere zwischen 350°C un d 420°C, und eine Dauer zwischen 0,5 Std. und 5 Std., insbesondere zwischen 1 Std. und 4 Std.
  • Das Implantieren der Dotierstoffatome bei dem zweiten Implantationsprozess erzeugt Kristalldefekte in dem Halbleiterkörper 100. Bei dem Ausheilprozess bei den vergleichsweise geringen, oben erläuterten Temperaturen, werden jene Kristalldefekte nicht ausgeheilt, sondern diffundieren tiefer in den Halbleiterkörper 100 hinein und bilden das Rekombinationsgebiet 24. In diesem Rekombinationsgebiet 24 bilden die Kristalldefekte Rekombinationszentren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Temperatur und die Dauer des zweiten Ausheilprozesses so gewählt, dass sich das Rekombinationsgebiet 24 innerhalb der Emittergebiete 21 vom ersten Typ, aber innerhalb und außerhalb der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ bilden, wohingegen eine Rekombinations-Effizienz in dem Rekombinationsgebiet 24 außerhalb der Emittergebiete 21, 22 vom ersten und zweiten Typ höher ist als in dem Rekombinationsgebiet 24 innerhalb dieser Gebiete 21, 22.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Rekombinationsgebiet 24 so erzeugt, dass eine Konzentration von Rekombinationszentren in dem Rekombinationsgebiet 24 dergestalt ist, dass eine Ladungsträgerlebensdauer in jenen Abschnitten des Rekombinationsgebiets 24, die sich außerhalb der Emittergebiete 21, 22 vom ersten und zweiten Typ befinden, zwischen 100 Nanosekunden (ns) und 50 Mikrosekunden (µs), 500 Nanosekunden und 30 Mikrosekunden, oder 1 Mikrosekunde und 20 Mikrosekunden liegt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt ein Verhältnis zwischen der Ladungsträgerlebensdauer in dem Rekombinationsgebiet 24 in dem Emittergebiet vom ersten Typ und der Ladungsträgerlebensdauer in dem Rekombinationsgebiet 24 in dem Emittergebiet 23 vom dritten Typ zwischen 2 und 4.
  • Das in 14B gezeigte erste Emittergebiet 20 entspricht dem in 1 gezeigten ersten Emittergebiet. Ein in 3 gezeigtes erstes Emittergebiet 20 ist dadurch erhältlich, dass das Feldstoppgebiet 41 vor der Herstellung der Emittergebiete 21 vom ersten Typ bzw. der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ erfolgt. Bezug nehmend auf 15 kann das Erzeugen des Feldstoppgebiets 41 das Implantieren erster Dotierstoffatome durch die erste Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 enthalten. Alternativ können jene Dotierstoffatome durch die zweite Oberfläche implantiert werden. Das Implantieren der ersten Dotierstoffatome kann mehrere Implantationsprozesse bei unterschiedlichen Implantationsenergien umfassen, um ein Feldstoppgebiet 41 mit zwei oder mehr voneinander beabstandeten Dotierungsmaxima zu erhalten. Beispielsweise enthalten die implantierten Atome zumindest eines von folgendem: Selen (Se), Phosphor (P), Arsen (As) und Antimon (Sb). Alternativ können Wasserstoff-(H)-Atome implantiert werden, die mit strahlungsinduzierten Schäden (z.B. Leerstellen) donatorartige Komplexe bilden können. Das Bilden des Feldstoppgebiets 41 kann außerdem einen Ausheilschritt enthalten, um die implantierten Dotierstoffatome zumindest teilweise zu aktivieren. Das Erzeugen eines Feldstoppgebiets 41 der unter Bezugnahme auf 3 erläuterten Art ist bekannt, so dass in dieser Hinsicht keine weiteren Erläuterungen erforderlich sind.
  • Bezug nehmend auf 16 kann das Verfahren ferner das Erzeugen zumindest eines Emittergebiets 25 eines vierten Typs vom zweiten Dotierungstyp durch Implantieren von Dotierstoffatomen durch die erste Oberfläche 101 unter Verwendung einer Implantationsmaske 210 und das Aktivieren der implantierten Dotierstoffatome umfassen. Das zumindest eine Emittergebiet 25 vom vierten Typ kann vor dem Erzeugen der Emittergebiete 21, 22 vom ersten Typ und vom zweiten Typ erfolgen, oder es kann (wie in 16 gezeigt) nach dem Erzeugen des Emittergebiets vom ersten Typ und der Emittergebiete vom zweiten Typ 21, 22 erzeugt werden. Das zumindest eine Emittergebiet vom dritten Typ wird so erzeugt, dass es eine Dotierungskonzentration aufweist, die höher ist als eine Dotierungskonzentration der Emittergebiete 22 vom zweiten Typ, und geringer, als eine Dotierungskonzentration der Emittergebiete 21 vom ersten Typ.
  • Bezug nehmend auf 16 kann die Implantationsmaske so gewählt werden, dass Teile des zumindest einen Emittergebiets 25 vom vierten Typ in dem Emittergebiet 21 vom ersten Typ und dem Emittergebiet vom zweiten Typ erzeugt werden. Da allerdings die Dotierungskonzentration geringer ist als die Dotierungskonzentration der Emittergebiete 21 vom ersten Typ, wirkt das Emittergebiet 25 vom vierten Typ nur in jenen Bereichen, in denen es in den Emittergebieten 22 vom zweiten Typ erzeugt wird. In der vertikalen Richtung kann sich das Emittergebiet vom dritten Typ in das Basisgebiet bzw. das Feldstoppgebiet erstrecken. Das zumindest eine Emittergebiet vom vierten Typ hilft, zusätzlich zu den Emittergebieten 21 vom ersten Typ, dem Egawa-Effekt entgegenzuwirken, wenn das Bauelement abgeschaltet wird.
  • Die Form des zumindest einen Emittergebiets vom vierten Typ ist unabhängig von der Form der Emittergebiete vom ersten und zweiten Typ. Mehrere Beispiele, wie das wenigstens eine Emittergebiet 25 vom vierten Typ implementiert werden kann, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 17 und 18 erläutert. In diesen Figuren, die eine Draufsicht auf die erste Oberfläche zeigen, sind die ersten und zweiten Emittergebiete 21, 22 (anhand gepunkteter Linien dargestellt) als Streifen (das heißt mit einer länglichen Form) implementiert. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel, jede andere hierin vorangehend erläuterte Form kann ebenso verwendet werden.
  • Bei dem in 17 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zumindest eine Emittergebiet 25 vom vierten Typ ringförmig. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist lediglich ein Emittergebiet 25 vom vierten Typ gezeigt. Allerdings kann das Bauelement mit zwei oder mehr Emittergebieten vom dritten Typ implementiert werden, die als konzentrische Ringe implementiert sein können.
  • Bezug nehmend auf 18, die unterschiedliche Ausführungsbeispiele zeigt, wie das zumindest eine Emittergebiet 25 vom vierten Typ implementiert werden kann, kann das Emittergebiet 25 vom vierten Typ länglich oder säulenförmig (beispielsweise mit einem kreisförmigen, elliptischen oder rechteckigen Querschnitt) sein.
  • Eine Breite des Halbleitergebiets 25 vom vierten Typ beträgt wenigstens das Zweifache, das Fünffache oder sogar mehr als das Zehnfache der Breite w1 des Emittergebiets 21 vom ersten Typ. Die "Breite" des Emittergebiets 25 vom vierten Typ ist die geringste laterale Abmessung des Emittergebiets vom vierten Typ. Beispielsweise ist die Weite im Fall des in 17 gezeigten, ringförmigen Gebiets 25 die Breite des länglichen Bereichs, das den Ring bildet. Eine Implantationsdosis zur Herstellung des Emittergebiets 25 vom vierten Typ ist beispielsweise ausgewählt aus einem Bereich zwischen 1E10 cm–2 und 1E14 cm–2, aus einem Bereich von 3E12 cm–2 und 5E13 cm–2, oder aus einem Bereich von 5E12 cm–2 und 3E13 cm–2. Das Ausheilen kann einen Laser-Ausheilprozess enthalten, bei dem zumindest jene Bereiche geschmolzen werden, in die Dotierstoffatome eingebracht wurden.
  • Sofern nicht anders angegeben, können die hierin vorangehend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläuterten Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in Bezug auf eine andere Zeichnung erläutert wurden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • S. M. Sze: "Semiconductor Devices, Physics and Technology", Seite 73, Jon Wiley & Sons, 1985, ISBN 0-471-87424-8 [0057]

Claims (35)

  1. Bipolares Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Halbleiterkörper, der eine erste Oberfläche aufweist; und ein Basisgebiet eines ersten Dotierungstyps und ein erstes Emittergebiet in dem Halbleiterkörper, wobei das erste Emittergebiet an die erste Oberfläche angrenzt und eine Vielzahl von Emittergebieten eines ersten Typs mit einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp aufweist, eine Vielzahl von Emittergebieten eines zweiten Typs vom zweiten Dotierungstyp, eine Vielzahl von Emittergebieten eines dritten Typs vom ersten Dotierungstyp, und ein Rekombinationsgebiet, das Rekombinationszentren aufweist, wobei sich die Emittergebiete vom ersten Typ und die Emittergebiete vom zweiten Typ von der ersten Oberfläche in den Halbleiterkörper hinein erstrecken, wobei die Emittergebiete vom ersten Typ eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen und sich von der ersten Oberfläche tiefer in den Halbleiterkörper hinein erstrecken als die Emittergebiete vom zweiten Typ, wobei die Emittergebiete vom dritten Typ an die Emittergebiete vom ersten Typ und die Emittergebiete vom zweiten Typ angrenzen, und wobei das Rekombinationsgebiet zumindest in den Emittergebieten vom ersten Typ und den Emittergebieten vom dritten Typ angeordnet ist.
  2. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, das weiterhin aufweist: ein Feldstoppgebiet vom ersten Dotierungstyp zwischen dem Basisgebiet und dem ersten Emittergebiet, wobei eine Dotierungskonzentration des Feldstoppgebiets höher ist als die Dotierungskonzentration des Basisgebiets.
  3. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 2, wobei ein Verhältnis zwischen einer minimalen Dotierungskonzentration des Feldstoppgebiets und einer maximalen Dotierungskonzentration des Basisgebiets zwischen 2 und 4 beträgt.
  4. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei ein Verhältnis zwischen der Ladungsträgerlebensdauer in dem Rekombinationsgebiet in den Emittergebieten vom ersten Typ und der Ladungsträgerlebensdauer in dem Rekombinationsgebiet in den Emittergebieten vom dritten Typ zwischen 2 und 4 beträgt.
  5. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei eine Ladungsträgerlebensdauer in dem Rekombinationsgebiet außerhalb der Emittergebiete vom ersten und zweiten Typ eine von Folgendem ist: zwischen 100 Nanosekunden und 500 Mikrosekunden, zwischen 500 Nanosekunden und 30 Mikrosekunden, und 1 Mikrosekunde und 20 Mikrosekunden.
  6. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei die Emittergebiete vom dritten Typ in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers an die Emittergebiete vom zweiten Typ und in einer horizontalen Richtung des Halbleiterkörpers an die Emittergebiete vom ersten Typ angrenzen.
  7. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei von den Emittergebieten vom ersten Typ und den Emittergebieten vom zweiten Typ jedes in einer horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers eine Form aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Länglich; ringförmig; und rechteckig.
  8. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei von der Vielzahl der Emittergebiete vom ersten Typ und der Emittergebiete vom zweiten Typ eines in einer horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers die Form eines Gitters aufweist.
  9. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, das weiterhin aufweist: ein zweites Emittergebiet vom zweiten Dotierungstyp, das von dem ersten Emittergebiet beabstandet ist, wobei das Basisgebiet zwischen dem ersten Emittergebiet und dem zweiten Emittergebiet angeordnet ist.
  10. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, das weiterhin aufweist: ein Bodygebiet vom ersten Dotierungstyp zwischen dem zweiten Emittergebiet und dem Basisgebiet; und eine zum Bodygebiet benachbarte und durch ein Gatedielektrikum gegenüber dem Bodygebiet dielektrisch isolierte Gateelektrode.
  11. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 10, das weiterhin aufweist: Emitterkurzschlüsse vom ersten Dotierungstyp, die sich von der ersten Oberfläche durch das erste Emittergebiet erstrecken.
  12. Bipolares Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei eine Tiefe der Halbleitergebiete vom ersten Typ in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,3 Mikrometer und 1 Mikrometer; und wobei eine Breite der Halbleitergebiete vom ersten Typ in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,5 Mikrometer und 50 Mikrometern.
  13. Verfahren, das aufweist: Implantieren von Dotierstoffatomen eines ersten Leitfähigkeitstyps in erste Oberflächenabschnitte einer ersten Oberfläche eines Halbleiterkörpers in einem ersten Implantationsprozess, und Abdecken zweiter Oberflächenabschnitte der ersten Oberfläche während der Implantation; Aktivieren zumindest eines Teils der bei dem ersten Implantationsprozess implantierten Dotierstoffatome, um erste dotierte Bereiche unterhalb der ersten Oberflächenabschnitte zu erzeugen; Implantieren von Dotierstoffatomen des einen Leitfähigkeitstyps in die ersten Oberflächenabschnitte und die zweiten Oberflächenabschnitte während eines zweiten Implantationsprozesses; und Aktivieren nur eines Teils der bei dem zweiten Implantationsprozess implantierten Dotierstoffatome in einem zweiten Aktivierungsprozess, um zweite dotierte Gebiete und Rekombinationsgebiete derart zu erzeugen, dass die Rekombinationsgebiete weiter von den zweiten Oberflächengebieten beabstandet sind als die zweiten dotierten Gebiete.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Aktivieren zumindest eines Teils der während des ersten Implantationsprozesses implantierten Dotierstoffatome einen Laser-Ausheilprozess umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Dauer des Laser-Ausheilprozesses zwischen 100 und 1000 Nanosekunden beträgt.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Aktivieren nur eines Teils der während des zweiten Implantationsprozesses implantierten Dotierstoffatome einen Ausheilprozess bei Temperaturen zwischen 350 und 450°C umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine Dauer des Temperaturprozesses zwischen 30 Minuten und 5 Stunden beträgt.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Dotierstoffatome im zumindest einen von dem ersten Implantationsprozess und dem zweiten Implantationsprozess ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Boratome; Aluminiumatome; Indiumatome; und Galliumatome.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Implantationsprozess zumindest eine erste Implantationsenergie und der zweite Implantationsprozess zumindest eine zweite Implantationsenergie aufweist, und wobei die zumindest eine erste Implantationsenergie, die zumindest eine zweite Implantationsenergie, der erste Aktivierungsprozess und der zweite Aktivierungsprozess derart aneinander angepasst sind, dass sich die ersten dotierten Gebiete von der ersten Oberfläche tiefer in den Halbleiterkörper hinein erstrecken als die zweiten dotierten Gebiete.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zumindest eine erste Implantationsenergie, die zumindest eine zweite Implantationsenergie, der erste Aktivierungsprozess und der zweite Aktivierungsprozess derart aneinander angepasst sind, dass eine Tiefe der ersten dotierten Gebiete, von der ersten Oberfläche aus gesehen, zwischen dem 1,5-fachen und 5-fachen einer Tiefe beträgt, die die zweiten dotierten Gebiete von der ersten Oberfläche aus gesehen aufweisen.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die erste Implantationsenergie so gewählt ist, dass der geplante Bereich der implantierten Ionen zwischen 200 Nanometer und 500 Nanometer beträgt.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Dotierstoffe in dem ersten Implantationsprozess Bor aufweisen, und wobei die Implantationsenergie ausgewählt ist aus einem Bereich zwischen 20 keV und 500 keV, oder aus einem Bereich zwischen 20 keV und 200 keV.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13–22, wobei bei dem ersten Implantationsprozess eine Implantationsdosis höher ist als 1E14 cm–2.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13–23, wobei bei dem zweiten Implantationsprozess eine Implantationsdosis geringer ist als 1E15 cm–2.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 12–24, das weiterhin aufweist: Erzeugen eines Feldstoppgebiets eines zweiten Dotierungstyps, das von der ersten Oberfläche beabstandet ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Feldstoppgebiet vor dem ersten Emittergebiet erzeugt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 13–26, wobei die ersten Oberflächenabschnitte und die zweiten Oberflächenabschnitte so gewählt sind, dass jeder eine Form aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: länglich; ringförmig; und rechteckig.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 13–26, wobei von den ersten Oberflächenabschnitten und den zweiten Oberflächenabschnitten einer die Form eines Gitters aufweist.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 13–26, wobei die ersten Oberflächenabschnitte elliptische Oberflächenabschnitte sind.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 13–28, wobei ein Verhältnis zwischen einer Fläche der ersten Oberflächenabschnitte und einer Fläche der zweiten Oberflächenabschnitte zwischen 0,05 und 5 beträgt.
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 13–30, das weiterhin aufweist: Erzeugen eines zweiten Emittergebiets, das von dem ersten Emittergebiet beabstandet ist, derart, dass das Basisgebiet zwischen dem ersten Emittergebiet und dem zweiten Emittergebiet angeordnet ist.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, das weiterhin aufweist: Erzeugen eines Bodygebiets vom ersten Leitfähigkeitstyp zwischen dem zweiten Emittergebiet und dem Basisgebiet; und Erzeugen einer Gateelektrode, die sich benachbart zu dem Bodygebiet befindet und gegenüber dem Bodygebiet dielektrisch isoliert ist.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, das weiterhin aufweist: Erzeugen von Emitterkurzschlüssen vom ersten Dotierungstyp, die sich von der ersten Oberfläche durch das erste Emittergebiet erstrecken.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 13–33, wobei der Halbleiterkörper ein inneres Gebiet und ein Randgebiet aufweist, wobei das Erzeugen der Vielzahl von Transistorzellen das Erzeugen einer Vielzahl von Transistorzellen in dem inneren Gebiet aufweist, und wobei das Erzeugen der ersten dotierten Gebiete das Erzeugen der ersten dotierten Gebiete nur in dem inneren Gebiet aufweist.
  35. Verfahren nach einem der Ansprüche 12–34, wobei der erste Implantationsprozess das Implantieren der Dotierstoffatome von dem einen Leitfähigkeitstyp derart umfasst, dass eine Breite des ersten Oberflächenabschnitts, in den die Dotierstoffatome implantiert werden, ausgewählt ist aus einem Bereich zwischen 0,5 Mikrometern und 50 Mikrometern.
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