DE102015111371B4 - Halbleiterbauelement mit einem schaltbaren und einem nicht schaltbaren Diodengebiet - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einem schaltbaren und einem nicht schaltbaren Diodengebiet Download PDF

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Abstract

Halbleiterbauelement, aufweisend: ein Halbleitersubstrat (100); eine vorderseitige Metallisierung (171); eine rückseitige Metallisierung (172); mehrere IGBT-Zellen (141), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein IGBT-Zellengebiet bilden, wobei jede der IGBT-Zellen (141) ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (151) zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet (113) des Halbleitersubstrats (100) aufweist; mehrere schaltbare Diodenzellen (143), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der schaltbaren Diodenzellen (143) einen pn-Übergang und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (153) zum Kurzschließen des pn-Übergangs der jeweiligen schaltbaren Diodenzelle (143) und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung über die jeweilige schaltbare Diodenzelle (143) zwischen der vorderseitigen Metallisierung und der rückseitigen Metallisierung aufweist; mehrere nicht schaltbare Diodenzellen (142), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der nicht schaltbaren Diodenzellen (143) einen pn-Übergang aufweist; wobei das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet kein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (151, 153) aufweist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Hier beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf Halbleiterbauelemente, die ein IGBT-Gebiet, ein schaltbares Diodengebiet und ein nicht schaltbares Diodengebiet aufweisen.
  • Hintergrund
  • IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) sind sehr vielseitige Leistungshalbleiterbauelemente, da sie einen sehr geringen Widerstand im angeschalteten Zustand, häufig als RON abgekürzt, aufweisen. Da IGBTs häufig zum Steuern induktiver Lasten verwendet werden, enthalten Leistungsmodule, die IGBTs als aktive Schalter enthalten, typischerweise sogenannte Freilaufdioden, die es ermöglichen, dass ein Strom in Rückwärtsrichtung fließt. Der Rückwärtsstrom kann durch die induktive Last während des Schaltens angetrieben werden.
  • Ein IGBT ist ein Bipolarbauelement. Der niedrige RON ist das Ergebnis einer hohen Ladungsträgerkonzentration, typischerweise Löcher, die aus dem typischerweise p-dotierten Emitter in das Driftgebiet während der vorwärts leitenden Betriebsart des IGBT emittiert werden. Das Driftgebiet wird dann mit überschüssigen Ladungsträgern überschwemmt. Wenn der IGBT in die Sperrbetriebsart gebracht wird, müssen die überschüssigen Ladungsträger aus dem Driftgebiet entfernt werden, bevor das Driftgebiet die Sperrspannung führen kann.
  • Moderne IGBTs weisen integrierte Freilaufdioden auf, so dass keine externe Freilaufdiode benötigt wird. IGBTs mit integrierten Freilaufdioden werden auch als RC-IGBTs (Rückwärtsstrom-Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) bezeichnet, da der IGBTs ausgelegt ist, auch einen Rückwärtsstrom zu führen.
  • Es ist wünschenswert, dass der IGBT auch einen Rückwärtsstrom führen kann, wenn eine Gatespannung an die Gateelektroden der IGBT-Zellen angelegt ist. Aktivierte IGBT-Zellen, d. h. IGBT-Zellen, an die die Gatespannung angelegt ist, können jedoch den Bipolarbetrieb in der Rückwärtsstrombetriebsart beeinträchtigen.
  • Die Druckschrift DE 10 2014 119 278 A1 beschreibt ein vertikales Halbleiterbauelement mit separaten Transistor- und Grabenzellen.
  • Es ist deshalb ein Bedarf vorhanden, Bauelementleistungsspezifikationen aufrechtzuerhalten oder sogar zu verbessern, während robuste Rückwärtsstromeigenschaft ermöglicht ist.
  • Kurzzusammenfassung
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Halbleiterbauelement ein Halbleitersubstrat, eine vorderseitige Metallisierung, eine rückseitige Metallisierung und mehrere IGBT-Zellen, die in das Halbleitersubstrat integriert sind und wenigstens ein IGBT-Zellengebiet bilden, wobei jede der IGBT-Zellen ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet des Halbleitersubstrats enthält. Das Halbleiterbauelement kann ferner mehrere schaltbare Diodenzellen enthalten, die in das Halbleitersubstrat integriert sind und wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der schaltbaren Diodenzellen einen pn-Übergang und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet zum Kurzschließen des pn-Übergangs der jeweiligen schaltbaren Diodenzelle und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung über die jeweilige schaltbare Diodenzelle zwischen der vorderseitigen Metallisierung und der rückseitigen Metallisierung enthält. Das Halbleiterbauelement kann ferner mehrere nicht schaltbare Diodenzellen enthalten, die in das Halbleitersubstrat integriert sind und wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der nicht schaltbaren Diodenzellen einen pn-Übergang umfasst, wobei das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet kein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet enthält.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Halbleiterbauelement ein Halbleitersubstrat, eine vorderseitige Metallisierung, eine rückseitige Metallisierung und wenigstens ein IGBT-Zellengebiet, das in das Halbleitersubstrat integriert ist und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet des Halbleitersubstrats aufweist. Das Halbleiterbauelement kann ferner wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet enthalten, das in das Halbleitersubstrat integriert ist und einen pn-Übergang und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet zum Kurzschließen des pn-Übergangs und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung über das schaltbare Freilaufdiodengebiet zwischen der vorderseitigen Metallisierung und der rückseitigen Metallisierung aufweist. Das Halbleiterbauelement kann ferner wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet enthalten, das in das Halbleitersubstrat integriert ist und einen pn-Übergang aufweist, wobei das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet einen Flächenschwerpunkt aufweist, wenn es in Normalprojektion auf die erste Oberflächen betrachtet wird, wobei der Flächenschwerpunkt des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets von dem nächstgelegenen funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiet durch einen Abstand von wenigstens 30 µm oder 40 µm oder einen spezifischen Abstand pro Leitfähigkeit im Bereich von 300 µm·Ohm·cm bis 30000 µm·Ohm·cm, insbesondere im Bereich von 1000 µm·Ohm·bis 10000 µm·Ohm·cm beabstandet ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Halbleiterbauelement ein Halbleitersubstrat, eine vorderseitige Metallisierung auf einer ersten Seite des Halbleitersubstrats, eine rückseitige Metallisierung auf einer zweiten Seite des Halbleitersubstrats und mehrere IGBT-Zellen, die in das Halbleitersubstrat integriert sind und wenigstens ein IGBT-Zellengebiet bilden, wobei jede der IGBT-Zellen eine funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet des Halbleitersubstrats aufweist. Das Halbleiterbauelement kann ferner mehrere schaltbare Diodenzellen enthalten, die in das Halbleitersubstrat integriert sind und wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der schaltbaren Diodenzellen einen pn-Übergang und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet zum Kurzschließen des pn-Übergangs der jeweiligen schaltbaren Diodenzelle und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung über die jeweilige schaltbare Diodenzelle zwischen der vorderseitigen Metallisierung und der rückseitigen Metallisierung aufweist. Das Halbleiterbauelement kann ferner mehrere nicht schaltbare Diodenzellen enthalten, die in das Halbleitersubstrat integriert sind und wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der nicht schaltbaren Diodenzellen einen pn-Übergang aufweist, wobei kein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet zwischen zwei beliebigen der nicht schaltbaren Diodenzellen aus den mehreren nicht schaltbaren Diodenzellen des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets angeordnet ist.
  • Fachleute erkennen zusätzliche Merkmale nach dem Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und nach dem Betrachten der begleitenden Zeichnungen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, stattdessen ist die Betonung auf Darstellen der Prinzipien der Erfindung gelegt. Außerdem bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1A bis 1C Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements, die ein IGBT-Zellengebiet, ein schaltbares Diodengebiet und ein nicht schaltbares Diodengebiet aufweist, gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform in unterschiedlichen Betriebsarten;
  • 1D eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform;
  • 2A bis 2C Querschnittsansichten eine Halbleiterbauelements, die ein schaltbares Diodengebiet und ein nicht schaltbares Diodengebiet aufweist, gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform in rückwärts leitender Betriebsart an unterschiedlichen Emitter-Kollektor-Spannungen;
  • 3 Diodenkennlinien schaltbarer und nicht schaltbarer Diodenzellen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen in rückwärts leitender Betriebsart;
  • 4 das Snap-Back-Verhalten schaltbarer und nicht schaltbarer Diodenzellen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen in rückwärts leitender Betriebsart;
  • 5 die Beziehung zwischen den Schaltverlusten und der Emitter-Kollektor-Spannung für unterschiedliche Betriebsarten des Halbleiterbauelements;
  • 6 das Schaltungsschema zum Schalten eines Halbleiterbauelements gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen von der vorwärts leitenden Betriebsart zu der vorwärts sperrenden Betriebsart;
  • 7A eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements, die ein IGBT-Zellengebiet, ein schaltbares Diodengebiet und ein nicht schaltbares Diodengebiet aufweist, gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform;
  • 7B einen vergrößerten Abschnitt der Draufsicht von 7A;
  • 8A eine dreidimensionale Darstellung eines Abschnitts eines Halbleiterbauelements dar gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform;
  • 8B einen vergrößerten Abschnitt der Ansicht von 8A;
  • 9 eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements, die ein IGBT-Zellengebiet, ein schaltbares Diodengebiet und ein nicht schaltbares Diodengebiet aufweist, gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform;
  • 10 eine nicht schaltbare Diode gemäß einer Ausführungsform;
  • 11 eine nicht schaltbare Diode gemäß einer Ausführungsform;
  • 12 eine nicht schaltbare Diode gemäß einer Ausführungsform;
  • 13 eine nicht schaltbare Diode gemäß einer Ausführungsform; und
  • 14 eine nicht schaltbare Diode gemäß einer Ausführungsform.
  • Ausführliche Beschreibung
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und in denen durch Darstellung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht ist Terminologie bezüglich Richtungen, wie z. B. "oben", "unten", "vorne", "hinten", "führend", "nachfolgend", "lateral", "vertikal" usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Weil Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl unterschiedlicher Orientierungen positioniert sein können, ist die Terminologie bezüglich Richtungen zum Zweck der Darstellung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend.
  • In dieser Spezifikation ist eine zweite Seite oder Oberfläche eines Halbleitersubstrats so betrachtet, dass sie durch die untere oder rückseitige Seite oder Oberfläche gebildet ist, während eine erste Seite oder Oberfläche so betrachtet ist, dass sie durch die obere oder Hauptseite oder Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist. Die Begriffe "oberhalb" oder "unterhalb", wie sie in dieser Spezifikation verwendet sind, ähnlich "oben" und "unten", beschreiben deshalb einen relativen Ort eines strukturellen Merkmals zu einem weiteren strukturellen Merkmal unter Berücksichtigung dieser Orientierung. Darüber hinaus sind räumlich relative Begriffe wie "unter", "unterhalb", "unter/e/r", "über", "ober/e/r" und dergleichen zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines Merkmals relativ zu einem zweiten Merkmal zu erläutern. Die Begriffe sollen unterschiedliche Orientierungen des Bauelements zusätzlich zu unterschiedlichen Orientierungen als diejenigen, die in den Figuren abgebildet sind, einschließen. Ferner sind Begriffe wie z. B. "erster/e/es", "zweiter/e/es" und dergleichen auch verwendet, um verschiedene Merkmale, Gebiete, Abschnitte usw. beschreiben und sollen ebenfalls nicht einschränkend sein. Gleiche Begriffe können sich durchgehend durch die Beschreibung auf gleiche Merkmale beziehen.
  • Hier können, insbesondere wenn auf den Graben, die Gateelektrode und/oder den Leiter Bezug genommen wird, beispielsweise die "Länge", "Ausdehnung" und "Spanne" austauschbar verwendet sein und können sich auf eine Längsachse des Merkmals beziehen. "Breite" kann sich auf die Richtung der Struktur beziehen, die senkrecht zu der Ausdehnung ist. "Breite" und "Länge" können sich auch auf Abmessungen in Breiten- bzw. Längenrichtung beziehen.
  • Die Begriffe "elektrische Verbindung" und "elektrisch verbunden" beschreiben eine ohmsche Verbindung zwischen zwei Merkmalen.
  • Der Begriff "Kanalgebiet" und "schaltbares Kanalgebiet" beschreibt einen Abschnitt des Bodygebiets benachbart und entlang dem Gatedielektrikum, wo der sogenannte Inversionskanal unter dem Einfluss des Feldeffekts gebildet ist. Das Kanalgebiet (schaltbare Kanalgebiet) ist ein unipolares Kanalgebiet.
  • Hier bedeutet eine "Normalprojektion" auf eine Ebene oder Oberfläche eine senkrechte Projektion auf die Ebene oder Oberfläche. Mit anderen Worte ist die Blickrichtung senkrecht zu der Oberfläche oder Ebene.
  • Das Halbleitersubstrat kann aus irgendeinem Halbleitermaterial hergestellt sein, das zum Herstellen von Halbleiterkomponenten geeignet ist. Beispiele solcher Materialien enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein, elementare Halbleitermaterialien wie z. B. Silizium (Si), Gruppe-IV-Verbindungs-Halbleitermaterialien wie z. B. Siliziumcarbid (SiC) oder Silizium-Germanium (SiGe), binäre, ternäre oder quartäre III-V-Halbleitermaterialien wie z. B. Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Galliumnitrid (GaN), Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN), Indium-Galliumphosphid (InGaPa) oder Indium-Galliumarsenid-Phosphid (InGaAsP) und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien wie z. B. Cadmiumtellurid (CdTe) oder Quecksilber-Cadmiumtellurid (HgCdTe), um einige wenige zu nennen. Die vorstehend genannten Halbleitermaterialien werden auch als Homoübergangs-Halbleitermaterialien bezeichnet. Wenn zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien kombiniert werden, wird ein Heteroübergangs-Halbleitermaterial gebildet. Beispiele von Heteroübergangs-Halbleitermaterialien enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Silizium-(SixC1-x) und SiGe-Heteroübergangs-Halbleitermaterial. Für Leistungshalbleiteranwendungen werden derzeit hauptsächlich Si-, SiC- und GaN-Materialien verwendet.
  • N-dotierte Gebiete sind als vom ersten Leitfähigkeitstyp bezeichnet, während p-dotierte Gebiete als vom zweiten Leitfähigkeitstyp bezeichnet sind. Es ist jedoch möglich, den ersten und den zweiten Leitfähigkeitstyp zu vertauschen, so dass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert ist und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert ist.
  • Wie hier verwendet sind die Begriffe "aufweisen", "beinhalten", "enthalten", "umfassen" und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein bezeichneter Elemente oder Merkmale angeben, jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel "ein/e/r" und "der/die/das" sollen sowohl den Plural als auch den Singular enthalten, sofern der Kontext nicht deutlich etwas anderes angibt.
  • Die 1A bis 1C stellen ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform in unterschiedlichen Betriebsarten dar. 1 stellt eine Vorwärtsbetriebsart – oder eine vorwärts leitende Betriebsart – dar mit einer positiven Gatespannung von beispielsweise +15 V, die an die Gateelektroden des Halbleiterbauelements angelegt ist. Die Kollektor-Emitter-Spannung VCE ist positiv, d. h. der technische Stromfluss ist von dem Kollektoranschluss C zu dem Emitteranschluss E. Der physikalische Stromfluss der Elektronen ist von dem Emitteranschluss E zu dem Kollektoranschluss C. Eine vorwärts leitende Betriebsart bedeutet im Allgemeinen, dass im Fall von n-Kanal-Bauelementen, wie in den nachstehend Ausführungsformen dargestellt, eine positive Gatespannung oberhalb einer Gateschwellenspannung Vth an die Gateelektroden angelegt ist, um jeweilige Inversionskanäle in schaltbaren Kanalgebieten zwischen dem Source- und dem Driftgebiet zu bilden, und dass die Kollektor-Emitter-Spannung VCE positiv ist (der Kollektoranschluss C ist positiv relativ zu dem Emitteranschluss E). Eine vorwärts sperrende Betriebsart bedeutet im Allgemeinen, dass im Fall von n-Kanalbauelementen eine Gatespannung unterhalb der Gateschwellenspannung Vth angelegt ist, so dass keine Inversionskanäle zwischen den Source- und Driftbereichen gebildet sind, und dass die Kollektor-Emitter-Spannung VCE positiv ist.
  • Das Halbleiterbauelement kann ein Leistungs-RC-IGBT sein und enthält ein Halbleitersubstrat 100, eine vorderseitige Metallisierung 171 auf einer ersten Hauptoberfläche oder Seite 101 des Halbleitersubstrats 100 und eine rückseitige Metallisierung 172 auf einer zweiten oder unteren Oberfläche 102 des Halbleitersubstrats 100. Die vorderseitige und rückseitige Metallisierung 171 und 172 sind beispielsweise in den 10, 11 und 14 dargestellt.
  • Das Halbleiterbauelement enthält mehrere Dotierungsgebiete. Die Halbleitersubstrat 100 ist typischerweise schwach n-dotiert. Hoch n-dotierte Sourcegebiete 111 können in das Halbleitersubstrat 100 an der ersten Oberfläche oder der ersten Seite 101 integriert sein. Die Sourcegebiete 111 bilden jeweilige pn-Übergänge mit p-dotierten Bodygebieten 112. Die Bodygebiete 112 bilden außerdem jeweilige pn-Übergänge mit einem n-dotierten Driftgebiet 113, wobei die pn-Übergänge verschieden von und beabstandet von den pn-Übergängen sind, die zwischen den Bodygebieten 112 und den Sourcegebieten 111 gebildet sind. Das Driftgebiet 113 ist typischerweise durch einen Abschnitt des schwach n-dotierten Substrats 100 gebildet, in das andere Dotierungsgebiete durch Implantierung oder andere geeignete Prozesse integriert sind.
  • An einer Seite zu der zweiten Oberfläche oder zweiten Seite 102 hin bildet das Driftgebiet 113 pn-Übergänge mit p-dotierten Emittergebieten 114, die Emittergebiete vom zweiten Leitfähigkeitstyp bilden. Zusätzlich sind n-dotierte Emittergebiete 116, die Emittergebiete vom ersten Leitfähigkeitstyp bilden, ebenfalls in das Halbleitersubstrat 100 an der zweiten Oberfläche 102 integriert. Die n-dotierten Emittergebiete 116 und die p-dotierten Emittergebiete 114 sind elektrisch in Kontakt (ohmsche Verbindung) mit der rückseitigen Metallisierung 172, die mit dem Kollektoranschluss C verbunden ist. Typischerweise ist die rückseitigen Metallisierung 172 in direktem Kontakt mit den n-dotierten Emittergebieten 116 und den p-dotierten Emittergebieten 114.
  • Ein optionaler n-dotierter Puffer oder eine Feldstoppschicht kann in das Halbleitersubstrat 100 zwischen dem Driftgebiet 113 und den jeweiligen Emittergebieten 114 und 116 oder nur zwischen dem Driftgebiet 113 und den p-dotierten Emittergebieten 114 integriert sein. Der Puffer oder die Feldstoppschicht weist eine höhere Dotierungskonzentration auf als das Driftgebiet 113, jedoch typischerweise eine niedrigere Dotierungskonzentration als die n-dotierten Emittergebiete 116. Die Emittergebiete 114, 116 sind beide hoch dotiert. Ein Puffer oder eine Feldstoppschicht 117 ist beispielsweise in den 12 und 13 dargestellt und kann in alle hier dargestellten Ausführungsformen integriert sein. Typischerweise enthalten die meisten modernen Bauelemente einen Puffer oder eine Feldstoppschicht 117. Bauelemente, die einen solchen Puffer oder eine solche Feldstoppschicht enthalten, werden auch als Durchgreifbauelemente bezeichnet.
  • Die Bodygebiete 112 sind in elektrischer Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung 171, die in elektrischer Verbindung mit dem Emitteranschluss E ist. Um die ohmsche Verbindung zwischen den Bodygebieten 112 und der vorderseitigen Metallisierung 171 zu verbessern, können hoch p-dotierte Bodykontaktgebiete 115 an der ersten Oberfläche 101 vorgesehen sein. Die Sourcegebiete 111 sind ebenfalls in direkter elektrischer Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung 172. Typischerweise ist die vorderseitige Metallisierung 171 in direktem Kontakt oder in Verbindung mit den Bodygebieten 112 oder den Bodykontaktgebieten 115 und den Sourcegebieten 111.
  • Das Halbleiterbauelement enthält ferner mehrere Gräben 120, die in das Halbleitersubstrat 100 integriert sind. Die Gräben 120 erstrecken sich vertikal von der ersten Oberfläche 101 in das Halbleitersubstrat 100 und können jeweilige Gateelektroden 121 enthalten, die von dem umgebenden Halbleitersubstrat 100 durch ein Gatedielektrikum 122 elektrisch isoliert sind. Die Gräben 120 können sich in Längsrichtung in Reihen erstrecken. Die Längenausdehnung verläuft hier senkrecht zu der Ebene der 1A bis 1C. Andere geometrisch Formen für die Gräben 120 wie z. B. hexagonale Formen, gesehen in Normalprojektion auf die erste Oberfläche 101, sind ebenfalls möglich. Mesagebiete 125 sind durch das Halbleitersubstrat 100 zwischen benachbarten Gräben 120 gebildet.
  • Mehrere IGBT-Zellen 141 sind in das Halbleitersubstrat 100 integriert und bilden wenigstens ein IGBT-Zellengebiet. Jede der IGBT-Zellen 141 enthält ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet 151 zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung, d. h. einer steuerbaren ohmschen Verbindung, zwischen der vorderseitigen Metallisierung 171 und dem Driftgebiet 113 des Halbleitersubstrats 100. Die schaltbaren Kanalgebiete 151 sind in den Bodygebieten 112 benachbart den Gräben 120 entlang der Ausdehnung der Gateelektroden 121 gebildet. Wenn eine positive Spannung oberhalb einer gegebenen Gateschwellenspannung Vth an die Gateelektroden 121 angelegt ist, werden Elektronen in den schaltbaren Kanalgebieten 151 akkumuliert, um einen unipolaren leitenden Pfad (nur für Elektronen), d. h. den sogenannten Inversionskanal, zwischen den Sourcegebieten 111 und den Driftgebieten 113 zu bilden. Somit ist die ohmsche Verbindung, die durch die schaltbaren Kanalgebiete 151 bereitgestellt ist, durch die Spannung, die an die Gateelektroden 121 angelegt ist, steuerbar.
  • Mehrere schaltbare Diodenzellen 143 sind in das Halbleitersubstrat 100 integriert und bilden wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet. Jede der schaltbaren Diodenzellen 143 enthält einen pn-Übergang zwischen dem jeweiligen Bodygebiet 112 und einem Abschnitt des Driftgebiets 113 und ein schaltbares Kanalgebiet 153 zum Kurschließen des pn-Übergangs der jeweiligen schaltbaren Diodenzelle 143 und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung, d. h. steuerbaren ohmschen Verbindung, durch die jeweilige schaltbare Diodenzelle 143 zwischen der vorderseitigen Metallisierung 171 und der rückseitigen Metallisierung 171.
  • Mehrere nicht schaltbare Diodenzellen 142 sind ebenfalls in das Halbleitersubstrat 100 integriert und bilden wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet. Jede der nicht schaltbaren Diodenzellen 143 enthält einen pn-Übergang zwischen dem jeweiligen Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113.
  • Die laterale geometrische Ausdehnung einer Zelle, wie sie hier gezeigt ist, entspricht dem Zwischenraum, mit dem die Gräben 120 lateral beabstandet sind. Wie in 1A dargestellt, ist die Struktur des Mesagebiets 125 zwischen zwei benachbarten Gräben 120 so gezeigt, dass sie spiegelsymmetrisch ist, d. h. das Mesagebiet 125 bildet mit dem ersten aus den zwei benachbarten Gräben 120 denselben Zellentyp wie mit dem zweiten aus den zwei benachbarten Gräben 120. Es ist jedoch auch möglich, dass unterschiedliche Zellentypen in demselben Mesagebiet 125 integriert sind. Beispielsweise können unterschiedliche Zellentypen an unterschiedlichen Orten in der Längenausdehnung der Mesagebiete 125 oder an gegenüberliegenden Seiten benachbarter Gräben 120 gebildet sein. Der Zellentyp kann somit in der Längenausdehnung (Längsrichtung) der Gräben 120 und Mesagebiete 125 oder lateral, d. h. entlang einer Richtung senkrecht zu der Längenausdehnung, variieren. Mit Bezug auf die 1A bis 1C ist die Längenausdehnung der Gräben 120 und Mesagebiete 125 senkrecht zu der Ebene der Figuren, während die laterale Richtung in der Links-rechts-Richtung der Figuren ist.
  • Im Hinblick auf das Vorstehende kann gemäß einer Ausführungsform jede der schaltbaren Diodenzellen 143 und jede der IGBT-Zellen 141 ein Sourcegebiet 111 von einem ersten Leitfähigkeitstyp in ohmscher Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung 117, ein Driftgebiet 113 vom ersten Leitfähigkeitstyp, ein Bodygebiet 112 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, das zwischen dem Sourcegebiet 111 und dem Driftgebiet 113 angeordnet ist und jeweilige pn-Übergänge mit dem Sourcegebiet 111 und dem Driftgebiet 113 bildet, aufweisen.
  • Darüber hinaus kann im Hinblick auf das Vorstehende gemäß einer Ausführungsform jede der schaltbaren Diodenzellen 143 und jede der IGBT-Zellen 141 eine Gateelektrode 121 enthalten, die benachbart zu dem Bodygebiet 112 angeordnet und von diesem elektrisch isoliert ist, um das jeweilige schaltbare Kanalgebiet 151, 153 jeder der schaltbaren Diodenzellen 143 und der IGBT-Zellen 141 zu definieren.
  • Im Hinblick auf das Vorstehende kann gemäß einer Ausführungsform jede der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 ein Driftgebiet 113 vom ersten Leitfähigkeitstyp und ein Bodygebiet 112 vom zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, das einen pn-Übergang mit dem Driftgebiet 113 bildet, wenn das Bodygebiet 112 in ohmscher Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung 171 ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthalten wenigstens einige der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 ein Bodykontaktgebiet 115 von der zweiten Leitfähigkeit, das in das Bodygebiet 112 eingebettet ist und ein höheres Dotierungsniveau aufweist als das Bodygebiet 112, wobei das Bodykontaktgebiet 115 eine ohmsche Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung 171 bildet.
  • Jedes der jeweiligen Gebiete, d. h. das IGBT-Zellengebiet, das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet und das schaltbare Freilaufdiodengebiet, enthält typischerweise mehrere jeweils identischer Zellen. Gebündelte Zellen von demselben Zellentyp bilden das jeweilige Gebiet. Es ist jedoch auch möglich, einen ersten Zellentyp in ein Gebiet, das vorwiegend durch einen zweiten Zellentyp gebildet ist, teilweise zu integrieren. Beispielsweise können einige wenige schaltbare Diodenzellen 142 in ein schaltbares Freilaufdiodengebiet, d. h. ein Gebiet, das vorwiegend durch schaltbare Diodenzellen 143 gebildet ist, integriert sein. Darüber hinaus können Scheinzellen, d. h. Zellen, die nicht zu dem Stromfluss beitragen, weder in vorwärts noch in rückwärts leitender Betriebsart, auch in einige oder in jedes der vorstehend genannten Zellengebiete integriert sein.
  • Das/die nicht schaltbare/n Freilaufdiodengebiet oder -gebiete umfassen jedoch typischerweise keine funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiete 151, 153, d. h. weder eine schaltbare Diodenzelle 143 noch eine IGBT-Zelle 141 ist innerhalb des Bereichs, der durch das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet eingenommen ist, integriert. Ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet kann somit auch so definiert sein, dass es ein Gebiet ist, in dem keine Zelle mit einem funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiet 151, 153 gebildet ist. Ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet 151, 153 ist ein Gebiet, in dem ein Inversionskanal gebildet werden kann, wenn eine positive Spannung (oder eine negative Spannung, falls die Dotierungsverhältnisse umgekehrt sind) an eine benachbarte Gateelektrode 121 angelegt wird. Wie nachstehend weiter beschrieben, wenn kein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet 151, 153 innerhalb des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets gebildet ist, ist der funktionale Betrieb des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets nicht durch die Aktion des funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiets 151, 153, d. h. ob eine Gatespannung angelegt ist oder nicht, beeinträchtigt. Das ist für spezifische Betriebsarten des Halbleiterbauelements vorteilhaft.
  • Um das Bilden des funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiets 151, 153 innerhalb des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets zu vermeiden, können die Gateelektroden in den Gräben 120, die in dem nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiet gebildet sind, von dem Gateanschluss elektrisch isoliert sein, so dass keine Gatespannung angelegt ist. Alternativ sind keine Gateelektroden in den Gräben 120 gebildet und/oder keine Sourcegebiete 111 sind gebildet und/oder die Sourcegebiete 111 sind mit dem Emitteranschluss E nicht elektrisch verbunden.
  • Wenn eine positive Spannung wie z. B. +15 V an die Gateelektroden der IGBT-Zellen 141 und der schaltbaren Diodenzellen 143 angelegt ist, wird ein leitender Pfad in dem jeweiligen schaltbaren Kanalgebiet 151, 153 gebildet, der die pn-Übergänge zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 bzw. zwischen dem Sourcegebiet 111 und dem Bodygebiet 112 kurzschließt. Ein Elektronenstrom kann somit von den Sourcegebieten 111 zu den Driftgebieten 113 und schließlich zu den p-dotierten Emittergebieten 114 und den n-dotierten Emittergebieten 116 fließen, wenn eine positive Kollektor-Emitter-Spannung VCE zwischen dem Kollektoranschluss C und dem Emitteranschluss E angelegt ist. Der Fluss der Elektronen ist durch einen nach unten zeigenden Pfeil angegeben, während der Strom der positiven Löcher durch den nach oben zeigenden Pfeil angegeben ist. Die Löcher fließen nicht durch das schaltbare Kanalgebiet 151, 153, da sie leicht durch den pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 hindurchtreten können. Die Löcher werden aus den p-dotierten Emittergebieten 114 injiziert. Die IGBT-Zellen 141 führen somit einen Bipolarstrom. Die gestrichelten Ellipsen in den Figuren stellen grob das Gebiet in dem Bodygebiet 112 dar, in dem die jeweiligen schaltbaren Kanalgebiete 151, 153 gebildet sind.
  • Die schaltbaren Diodenzellen 143 können auch einen Bipolarstrom in der Vorwärtsbetriebsart führen. In einer Ausführungsform, wie beispielsweise in den 7A und 7B gezeigt, sind die schaltbaren Diodenzellen 143 gegenüber einem Gebiet alternierender n-dotierter Emittergebiete 116 und p-dotierter Emittergebiete 114 angeordnet. Die p-dotierten Emittergebiete 114 injizieren somit Löcher auch in den Bereich, in dem die schaltbaren Diodenzellen 143 gebildet sind.
  • In der vorwärts leitenden Betriebsart, wie in 1A dargestellt, sind die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 "inaktiv", da der pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 jeden Elektronenstrom durch die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 sperrt.
  • Eine rückwärts leitende Betriebsart ist in 1B dargestellt, wobei eine negative Kollektor-Emitter-Spannung VCE zwischen dem Kollektoranschluss C und dem Emitteranschluss E angelegt ist. In diesem Fall fließt ein Rückwärtsstrom, der durch eine nicht dargestellte induktive Last angetrieben sein kann. 1B zeigt auch, dass eine positive Gatespannung angelegt ist, was bedeutet, dass jeweilige Inversionskanäle in den schaltbaren Kanalgebieten 151, 153 der IGBT-Zellen 141 bzw. der schaltbaren Diodenzellen 143 gebildet sind. Ein Strom durch die IGBT-Zellen 141 wird jedoch verhindert aufgrund des rückwärts vorgespannten pn-Übergangs zwischen dem Driftgebiet 113 und dem p-dotierten Emittergebiet 114, das an der zweiten Oberfläche 102 angeordnet ist. Andererseits ist ein Elektronenstrom durch die schaltbaren Diodenzellen 143 möglich, da wenigstens einige n-dotierten Emittergebiete 116 gegenüber den schaltbaren Diodenzellen 143 gebildet sind, so dass keine sperrenden pn-Übergänge vorhanden sind.
  • 1B zeigt außerdem, dass ein Bipolarstrom durch die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 fließt. Ein solcher Bipolarstrom wird ermöglicht, wenn die Spannungsdifferenz über den pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 gleich dem oder größer als der erforderliche Vorwärtsspannungsabfall dieses pn-Übergangs ist.
  • Somit können sowohl die schaltbaren Diodenzellen 143 als auch die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 einen Rückwärtsstrom führen. Rückwärtsstrom bedeutet, dass ein Stromfluss (Richtung des technischen Stromflusses) rückwärts in Bezug auf den Stromfluss (Richtung des technischen Stromflusses) der vorwärts leitenden Betriebsart ist. Der technische Stromfluss ist so definiert, dass er die Richtung ist, in die positive Ladungsträger fließen.
  • Der Beitrag der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 zu dem Rückwärtsstrom ist typischerweise größer, da der Bipolarstrom typischerweise signifikant größer ist als der Unipolarstrom aufgrund der zusätzlichen Injektion von Löchern aus dem Bodygebiet 112 in das Driftgebiet 113. Der Bipolarstrom durch eine einzelne nicht schaltbare Zelle 142 kann bis zu 100 Mal größer sein als der Unipolarstrom durch eine schaltbare Zelle 143 unter der Annahme, dass Zellenparameter wie z. B. Größe, Bereich und Dotierungsverhältnisse vergleichbar sind. Löcher werden nicht aus dem Bodygebiet 112 in das Driftgebiet 133 neben den schaltbaren Diodenzellen 143 injiziert, solange ein leitender Pfad vorhanden ist, der in dem schaltbaren Kanalgebiet 153 gebildet ist (siehe 1A), der den pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 der schaltbaren Zelle 143 kurzschließt.
  • 1C stellt die rückwärts leitende Betriebsart dar, wenn die Gatespannung, die an die Gateelektroden 121 angelegt ist, unterhalb der Gateschwellenspannung Vth ist, um einen Inversionskanal zu bilden. Wie in 1C gezeigt ist, funktioniert die schaltbare Diodenzelle 143 jetzt als "normale" Diode, da kein Inversionskanal in dem schaltbaren Kanalgebiet 153 gebildet ist (siehe 1A), der den pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 kurzschließen könnte. Somit, wenn eine Gatespannung unterhalb der Gateschwellenspannung Vth oder keine Gatespannung angelegt ist, kann ein großer Bipolarrückwärtsstrom durch die schaltbaren und nicht schaltbaren Diodenzellen 143, 142 geführt werden.
  • Wenn die 1B und 1C verglichen werden, werden die zwei möglichen leitenden Betriebsarten für die schaltbaren Diodenzellen 143 im Rückwärtszustand (ICE < 0 A oder VCE < 0 V) offensichtlich. Wenn eine Gatespannung oberhalb der Gateschwellenspannung Vth an die Gateelektrode 121 der schaltbaren Diodenzelle 143 angelegt ist, kann nur ein Unipolarstrom durch die schaltbaren Diodenzellen 143 fließen. Wenn jedoch eine Gatespannung unterhalb der Gateschwellenspannung Vth angelegt ist, kann ein Bipolarstrom durch die schaltbaren Diodenzellen 143 fließen, der signifikant größer ist als der Unipolarstrom aufgrund der injizierten Löcher. Die schaltbare Diodenzellen 143 können somit zwischen einer Unipolarstrombetriebsart und einer Bipolarstrombetriebsart "umgeschaltet" werden.
  • Ein solches Umschalten ist nicht möglich für die nicht schaltbaren Diodenzellen 142, da das Bilden eines Inversionskanals, der den pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 kurzschließen kann, in den nicht schaltbaren Zellen 142 verhindert wird. Die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 weisen deshalb nur eine Bipolarstrombetriebsart auf.
  • Die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 könnten jedoch durch das Bilden der Inversionskanäle, die in benachbarten schaltbaren Zellen 143 oder IGBT-Zellen 141 gebildet werden, inaktiviert oder beeinflusst werden. Das ist in den 2A bis 2C für ein Übergangsgebiet dargestellt, das zwischen benachbarten schaltbaren Diodenzellen 143 und nicht schaltbaren Diodenzellen 142 gebildet ist.
  • Ein nicht schaltbares Freilaufzellengebiet 1142 ist durch mehrere nicht schaltbare Diodenzellen 142a, 142b, 142c, 142d definiert, und ein schaltbares Freilaufdiodengebiet 1143 ist durch mehrere schaltbare Diodenzellen 143 definiert. Wie in Verbindung mit den 2A bis 2C beschrieben wird, können die "äußeren" nicht schaltbare Diodenzellen 143 inaktiviert sein, wenn ein Inversionskanal in benachbarten schaltbaren Diodenzellen 143 gebildet ist.
  • 2A stellt den Betrieb dar, wenn VCE negativ ist, d. h. in rückwärts leitender Betriebsart. In praktischen Anwendungen, z. B. wenn der IGBT zum Ansteuern einer induktiven Last verwendet wird, treibt die induktive Last einen Kollektor-Emitter-Strom ICE, was abhängig von dem Widerstand des IGBT zu einer Kollektor-Emitter-Spannung VCE führt. Obwohl der ICE die tatsächliche Quelle ist, bestimmt typischerweise die resultierende Emitter-Kollektor-Spannung VCE, die als die resultierende Spannung VCE dargestellt ist, das Verhalten des Halbleiterbauelements. Es wird darauf hingewiesen, dass hier ICE und deshalb auch VCE negativ ist.
  • VCE, die hier dargestellt ist, so dass sie VCE1 ist, ist sehr klein, wenn ICE klein ist (mit dem Einsetzen des Rückwärtsstroms, wenn der Strom durch das Bauelement von dem Vorwärts- zu dem Rückwärtsstrom übergeht), d. h. der Absolutwert von VCE1 ist kleiner als der Vorwärtsspannungsabfall, der benötigt wird, um einen Bipolarstromfluss zu erzeugen, beispielsweise |VCE| < 0,7 V für Halbleiterbauelemente, die ein Halbleitersubstrat 100 aufweisen, das aus Si hergestellt ist. Der einzige verfügbare Stromfluss ist der Unipolarstrom durch die schaltbaren Zellen 143, da die Gatespannung oberhalb der Gateschwellenspannung Vth an die Gateelektroden 121 der schaltbaren Diodenzellen 143 angelegt ist. Die Gateelektroden 121 innerhalb der Gräben 120 der nicht schaltbaren Diodenzellen 142a, 142b, 142c, 142d sind inaktiv oder nicht mit dem Gateanschluss G elektrisch verbunden, oder keine Sourcegebiete 121 sind gebildet, oder die Sourcegebiete sind mit dem Emitteranschluss E nicht elektrisch verbunden. In jedem dieser Fälle ist kein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet in den nicht schaltbaren Diodenzellen 142a, 142b, 142c, 142d bereitgestellt, das Bilden eines Inversionskanals ermöglicht, um eine ohmsche Verbindung zwischen dem Emitteranschluss und dem Driftgebiet 113 durch Kurzschließen des pn-Übergangs zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 bereitzustellen.
  • Aufgrund des Bildens des Inversionskanals in dem schaltbaren Kanalgebiet 153 der schaltbaren Diodenzellen 143 ist der pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 der schaltbaren Diodenzellen 143 kurzgeschlossen, und das elektrische Potential des Driftgebiets 113 nahe dem kurzgeschlossenen pn-Übergang ist ungefähr an dem elektrischen Potential des Emitteranschlusses E. Die Kollektor-Emitter-Spannung VCE fällt somit hauptsächlich über dem Driftgebiet 113 ab. Das "Pinning" des elektrischen Potentials durch die schaltbaren Diodenzellen 143 beeinträchtigt auch das elektrische Potential des Driftgebiets 113 nahe den nicht schaltbaren Diodenzellen 142, die neben den schaltbaren Diodenzellen 143 angeordnet sind, aufgrund des lateralen Spannungsabfalls, der lateral innerhalb des Driftgebiets 113 nahe den pn-Übergängen zwischen den Bodygebieten 112 und dem Driftgebiet 113 auftritt. Die vertikale Ausdehnung des Driftgebiets 113 ist typischerweise signifikant größer als hier dargestellt. Beispielsweise kann die vertikale Ausdehnung des Driftgebiets 113 beispielsweise das 10-Fache der vertikalen Ausdehnung der Bodygebiete 112 sein. Die "Dicke", d. h. die vertikale Ausdehnung des Driftgebiets 113 hängt hauptsächlich von dem Sperrspannungsnennwert des Halbleiterbauelements ab.
  • Der "vertikale" Spannungsabfall innerhalb des Driftgebiets 113 tritt deshalb auch "lateral" auf, was durch die lateralen lokalen Widerstände RD des Driftgebiets 113 angegeben ist. Als eine Konsequenz ist die Spannung oder das elektrische Potential des Driftgebiets 113 nahe dem pn-Übergang der nicht schaltbaren Diodenzellen 142a bis 142d benachbart den schaltbaren Diodenzellen 143 ähnlich der Spannung, die an den Emitteranschluss E angelegt ist. Da die Spannung, die an den Emitteranschluss E angelegt ist, auch an die Bodykontaktgebiete 115 und somit die Bodygebiete 112 der nicht schaltbaren Diodenzellen 142a bis 142d angelegt ist, ist der Spannungsabfall über dem pn-Übergang der nicht schaltbaren Diodenzellen 142a bis 142d kleiner als der erforderliche Vorwärtsspannungsabfall des pn-Übergangs zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113. Deshalb sind die nicht schaltbaren Diodenzellen 142a bis 142d bei einer kleinen VCE "inaktiv".
  • Wenn VCE weiter abfällt, d. h. der Absolutwert von VCE wird größer aufgrund eines Abfalls von ICE (d. h. ICE wird negativer; der Absolutwert von ICE steigt an), nimmt der laterale Spannungsabfall zu, so dass der Spannungsabfall über den pn-Übergang für weiter entfernte nicht schaltbare Diodenzellen 142c und 142d, d. h. für nicht schaltbare Diodenzellen 142, die entfernt von den schaltbaren Diodenzellen 143 angeordnet sind, größer wird als der erforderliche Vorwärtsspannungsabfall. Als eine Konsequenz beginnen die pn-Übergänge, Ladungsträger zu injizieren, und ein Bipolarstrom kann durch die weiter entfernten nicht schaltbaren Diodenzellen 142c und 142d fließen. Die nicht schaltbaren Diodenzellen 142a und 142b, die näher an den schaltbare Diodenzellen 143 angeordnet sind, bleiben inaktiv, da der laterale Spannungsabfall nicht groß genug ist, um einen ausreichend hohen Spannungsabfall über dem pn-Übergang der nicht schaltbaren Diodenzellen 142a und 142b zu erzeugen. Diese Betriebsart ist in 2B dargestellt, wenn die resultierende Kollektor-Emitter-Spannung VCE gleich VCE2 ist gemäß der Beziehung VCE2 < VCE1 < 0 V.
  • Die Spannung VCE, an der die nicht schaltbaren Diodenzellen 142, die entfernt von der schaltbaren Diodenzelle 143 angeordnet sind, in der Bipolarbetriebsart leitend werden, wird als VCE,th bezeichnet, die die Schwellenspannung der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 ist. In praktischen Anwendungen kann |VCE,th|, d. h. der Absolutwert von VCE,th, kleiner als 7 V sein, speziell kleiner als 5 V, insbesondere kleiner als 3 V und ganz besonders kleiner als 1 V.
  • Wenn ICE weiter abfällt, so dass VCE zu VCE3 wird mit VCE3 < VCE2, wird der laterale Spannungsabfall ausreichend groß für die nicht schaltbare Diodenzelle 142b, kann jedoch nicht groß genug sein für die nicht schaltbare Diodenzelle 142a, die die nicht schaltbare Diodenzelle ist, die den schaltbaren Diodenzellen 143 am nächsten ist. 2C stellt diese Betriebsart dar. Die nicht schaltbare Diodenzelle 142a bleibt inaktiv, während die anderen nicht schaltbaren Diodenzellen 142d bis 142b aktiv sind, d. h. diese Zellen führen einen Rückwärtsstrom (Bipolarstrom).
  • Falls die Spannung die an die Gateelektrode 121 der schaltbaren Diodenzelle 143 angelegt ist, kleiner ist als die Gateschwellenspannung Vth, die benötigt wird, um einen Inversionskanal zu erzeugen, sind alle nicht schaltbaren Diodenzellen 142a bis 142d und auch die schaltbare Diodenzelle 143 in der Vorwärtsdiodenbetriebsart für ausreichend große VCE, d. h. wenn der Spannungsabfall über den pn-Übergängen zwischen den jeweiligen Bodygebieten 112 und dem Driftgebiet 113 größer wird als der Vorwärtsspannungsabfall. In dieser Situation führen alle Diodenzellen einen Bipolarrückwärtsstrom. Diese Betriebsart ist beispielsweise in 1C angegeben.
  • Die elektrischen Kennlinien für die vorstehend beschriebenen Betriebsarten sind in den 3 und 4 dargestellt. Nur zur Veranschaulichung stellen die Kurven 201 und 202 von 3 die Kennlinien einer einzelnen schaltbaren Diodenzelle 143 dar. Die Kurven 201, 202, 203 stellen ICE (Kollektor-Emitter-Strom) gegen VCE (Kollektor-Emitter-Spannung) in der rückwärts leitenden Betriebsart dar, was in dem dritten Quadranten einer vollständigen Diodenkennlinie ist. VCE ist hier negativ, da die Spannung an dem Kollektoranschluss C relativ zu der Spannung an dem Emitteranschluss E negativ ist. ICE ist deshalb auch negativ. Die Situation wäre umgekehrt mit umgekehrten Dotierungsverhältnissen.
  • Die Kurve 201 stellt die ICE-VCE-Kennlinie für die schaltbare Zelle 143 dar, wenn eine Gatespannung angelegt ist, um einen Inversionskanal zu bilden, und die Kurve 202 stellt die ICE-VCE-Kennlinie für die schaltbare Zelle 143 dar, wenn keine Gatespannung angelegt oder eine negative Gatespannung an die Gateelektrode der schaltbaren Zelle 143 angelegt ist. VD repräsentiert den Vorwärtsspannungsabfall, an dem der pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113 leitend wird (Vorwärtsdiodenstrom). Kurve 201 ist im Wesentlichen linear, da der "Widerstand" des Inversionskanals im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Wenn eine Gatespannung an die Gateelektrode der schaltbaren Zelle 143 angelegt wird, wird der Inversionskanal gebildet, und nur ein Unipolarstrom, d. h. ein Elektronenstrom, kann durch die schaltbare Diodenzelle 143 fließen. Falls keine Gatespannung angelegt ist, "zündet" der pn-Übergang der schaltbaren Diodenzelle, und ein Bipolarstrom fließt, wenn VCE < VD ist, d. h. wenn der Absolutwert von VCE größer als der von VD ist. VD repräsentiert den erforderlichen Vorwärtsspannungsabfall über einen pn-Übergang, um den pn-Übergang leitend zu machen. Aufgrund der Injektion von Löchern aus dem Bodygebiet 112 in das Driftgebiet 113 reduziert sich der Widerstand signifikant, so dass ein größerer Strom fließen kann. Die Spannung VCE, die über des Bauelements abfällt, ist deshalb viel kleiner, nachdem der pn-Übergang leitend wurde, im Vergleich zu dem Fall, wenn die pn-Übergänge nicht leitend sind. Die schaltbare Diodenzelle 143 kann somit einen signifikant höheren Strom führen, wenn sie in der Bipolarbetriebsart betrieben wird.
  • Die Kennlinie einer einzelnen schaltbaren Diodenzelle 143 kann deshalb zwischen den Kurven 201 und 202 umgeschaltet werden, abhängig davon, ob eine Gatespannung angelegt ist oder nicht. Das Umschalten zwischen den Kurven 201 und 202 ist durch den Pfeil 206 angegeben. Die schaltbare Diodenzelle 143 kann deshalb zwischen einer Bipolarbetriebsart und einer Unipolarbetriebsart umgeschaltet werden.
  • Die Diodenkennlinie einer einzelnen nicht schaltbaren Diodenzelle 142 ist grundsätzlich ähnlich der Kurve 202 unter der Annahme, dass das Dotierungsverhältnis und der Bereich, der durch die schaltbare Diodenzelle 143 und die nicht schaltbare Diodenzelle 142 eingenommen ist, vergleichbar sind. Es ist zur Veranschaulichung angenommen, dass die nicht schaltbare Diodenzelle 142 unmittelbar neben der schaltbaren Diodenzelle 143 angeordnet ist, und die nicht schaltbare Diodenzelle 142 würde dann inaktiv sein, wenn der Inversionskanal aufgrund der angelegten Gatespannung gebildet ist. Wenn keine Gatespannung angelegt ist, sind sowohl die schaltbare Zelle 143 als auch die nicht schaltbare Zelle 142 in der Bipolarbetriebsart, und ihre gemeinsame Kennlinie ist durch die Kurve 203 dargestellt, da beide Zelle 142, 143 zusammen eine große Querschnittsfläche aufweisen, durch die Strom fließen kann. Abhängig davon, ob eine Gatespannung an die schaltbare Zelle 143 angelegt ist oder nicht, ist ein Umschalten zwischen Kurve 201 (nur die schaltbare Zelle 143 in der Unipolarbetriebsart, die nicht schaltbare Zelle 142 inaktiv) und Kurve 203 (beide Zellen 142, 143 in Bipolarbetriebsart) möglich. Dieses Umschalten ist durch den Pfeil 207 angegeben.
  • Falls andererseits die nicht schaltbare Zelle 142 ausreichend von der schaltbaren Zelle 143 beabstandet wäre, so dass das Bilden des Inversionskanals in der schaltbaren Zelle 143 die Diodenfunktion der nicht schaltbaren Zelle 143 nicht beeinträchtigen würde, wäre die gemeinsame Kennlinie beider Zellen 142, 143 hauptsächlich durch die Kennlinie der nicht schaltbaren Zelle 142 reguliert in dem Fall, dass die Gatespannung angelegt ist, da der Unipolarstrom der schaltbaren Diode 143 signifikant kleiner ist als der Bipolarstrom der nicht schaltbaren Zelle 142 an derselben VCE. Somit tritt ein Umschalten zwischen der Kurve 202 (Unipolarstrom der schaltbaren Diodenzelle 143 ist vernachlässigbar in Bezug auf den Bipolarstrom der nicht schaltbaren Zelle 142) und der Kurve 203 auf, wenn beide Diodenzellen 142, 143 in der Bipolarbetriebsart sind. Das Umschalten ist durch den Pfeil 208 angegeben.
  • Das kombinierte Verhalten der schaltbaren Diodenzellen 143 und der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 ist mit Bezug auf 4 weiter ausgearbeitet.
  • 4 stellt Situationen dar, in denen ein Rückwärtsstrom beispielsweise durch eine induktive Last vorgegeben (angetrieben) ist. Die Kollektor-Emitter-Spannung VCE, die zwischen dem Kollektoranschluss C und dem Emitteranschluss E auftritt, hängt dann von dem "Widerstand" des Halbleiterbauelements ab, der durch die Leitfähigkeit der einzelnen Zellen definiert ist. In der rückwärts leitenden Betriebsart tragen die IGBT-Zellen 141 nicht zu dem Rückwärtsstrom bei, da ihr Widerstand für Rückwärtsstrom scheinbar unendlich ist.
  • Zum Verständnis von 4 ist angenommen, dass das Halbleiterbauelement von der vorwärts leitenden Betriebsart zu der rückwärts leitenden Betriebsart übergeht. Irgendein Stromfluss zur Entsättigung ist vernachlässigt. Mit dem Einsetzen des Rückwärtsstroms, d. h. der Rückwärtsstrom ICE ist nahe bei Null, sind die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 noch nicht leitend, da der Spannungsabfall über den pn-Übergängen zwischen den Bodygebieten 112 und dem Driftgebiet 113 kleiner ist als der Vorwärtsspannungsabfall dieser pn-Übergänge. Wenn die Größe (Absolutwert) des ICE ansteigt, steigt VCE ebenfalls an, bis die pn-Übergänge zwischen den Bodygebieten 112 und den Driftgebieten 113 der nicht schaltbaren Zellen 142 "zünden" und die Dioden, die durch diese pn-Übergänge gebildet sind, leitend werden.
  • Kurve 303 stellt die Situation dar, wenn alle nicht schaltbaren Diodenzellen nicht durch irgendein schaltbares Kanalgebiet beeinträchtigt würden, d. h. als "normale" Freilaufdioden funktionieren würden.
  • Kurve 301 stellt die Situation dar, wenn das Bilden von Inversionskanälen in den schaltbaren Diodenzellen 143 alle nicht schaltbaren Zellen 142 bei niedrigem ICE deaktiviert. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die schaltbaren Zellen 143 und die nicht schaltbaren Zellen 142 gemischt und nahe beieinander angeordnet sind oder wenn IGBT-Zellen 141 mit nicht schaltbaren Zellen 142 gemischt sind. Da die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 noch nicht leitend sind, ist der Widerstand des Halbleiterbauelements immer noch hoch, und VCE steigt steil an. Wenn VCE vergleichsweise groß wird, werden einige wenige nicht schaltbare Diodenzellen 142 leitend gemacht wegen des erhöhten lateralen Spannungsabfalls, wie vorstehend beschrieben. Das bedeutet, dass der laterale Spannungsabfall für die nicht schaltbare Diodenzelle 142, die von der nächstgelegenen schaltbaren Zelle 143 am weitesten entfernt ist, in der ein Inversionskanal gebildet ist, groß genug wird, so dass diese nicht schaltbare Zelle in die Bipolarbetriebsart übergeht. Da die Leitfähigkeit dieser nicht schaltbaren Diodenzelle 142 viel größer (oder ihr Widerstand viel kleiner) ist als die Leitfähigkeit (der Widerstand) der schaltbaren Diodenzellen 143, nimmt der Gesamtwiderstand des Halbleiterbauelements ab, und findet ein "Snap-Back" der Kurve 301 zu Kurve 303 statt. Mit einem weiteren Anstieg der Größe von ICE gehen mehr nicht schaltbare Diodenzellen 142 in die Bipolarbetriebsart über, bis schließlich alle nicht schaltbaren Diodenzellen 142 leitend sind, so dass die Kurve 301 bei großen Werten von ICE im Wesentlichen gleich Kurve 303 wird.
  • Kurve 302 stellt die Situation dar, wenn das Einsetzen der Bipolarbetriebsart für die am weitesten entfernte nicht schaltbare Zelle an kleineren Absolutwerten für ICE startet. Das ist der Fall, wenn der Minimalabstand zwischen der am weitesten entfernten nicht schaltbaren Diodenzelle 142 und der nächstgelegenen schaltbaren Diodenzelle 143 größer ist als für den Fall von Kurve 301, da in diesem Fall der laterale Spannungsabfall zwischen diesen zwei Zellen größer ist.
  • Das Snap-Back-Verhalten, wie es in 4 dargestellt ist, ist nicht erwünscht, da das Bilden von Inversionskanälen der verfügbare "Dioden"-Bereich zum Leiten eines Rückwärtsstroms wenigstens am Einsetzen des Rückwärtsstroms reduziert. Das Snap-Back-Verhalten ist insbesondere ausgeprägt, wenn die schaltbaren und nicht schaltbaren Diodenzellen 142, 143 gemischt sind und deshalb ein ausreichend großer lateraler Spannungsabfall, um die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 leitend zu machen, nur an einer großen VCE erzeugt wird. Da die Diodenzellen (nicht schaltbaren Diodenzellen 142 und/oder schaltbaren Diodenzellen 143), die bereits leitend sind, den vollständigen Rückwärtsstrom durch das Halbleiterbauelement führen müssten, wäre die Stromamplitude pro leitender Diodenzelle sehr groß, was zu einer Fehlfunktion des gesamten Halbleiterbauelements führen könnte.
  • Um dieses zu vermeiden oder zumindest signifikant zu reduzieren, sind die nicht schaltbaren Diodenzellen gruppiert oder gebündelt, so dass der Minimalabstand zwischen einer mittleren Zelle der gebündelten nicht schaltbaren Diodenzellen und der nächstgelegenen schaltbaren Diodenzelle (oder IGBT-Zelle) groß wird. Als ein Ergebnis dieses vergrößerten Abstands wird der laterale Spannungsabfall groß, selbst bei vergleichsweise kleiner VCE, so dass einige oder die meisten der Zellen aus den gebündelten nicht schaltbaren Diodenzellen leitend gemacht werden, selbst bei kleiner VCE, die kleinem ICE entspricht. Die gebündelten nicht schaltbaren Diodenzellen werden deshalb bei vergleichbar kleinem (Absolutwert von) ICE leitend gemacht und können den Rückwärtsstrom führen.
  • Als eine Konsequenz kann das Snap-Back-Verhalten ebenfalls vermieden werden. Darüber hinaus, weil wenigstens einige der gebündelten nicht schaltbaren Diodenzellen 142 selbst bei niedrigem ICE leitend werden (der resultierende Spannungsabfall VCE ist ebenfalls niedrig), beeinträchtigt das Anlegen einer Gatespannung an die Gateelektroden der schaltbaren Zellen 143 nicht das Verhalten der nicht schaltbaren Diodenzellen 142, die Teil des Freilaufdiodengebiets bilden. Darüber hinaus ist das Beibehalten der an die Gateelektroden angelegten Gatespannung für viele Anwendungen vorteilhaft. Da das Umschalten zwischen dem Vorwärts- und Rückwärtsstrom sehr häufig auftritt, kann eine zusätzliche Stromabfühleinheit nicht erforderlich sein, um die Stromumkehr genau zu detektieren.
  • Wie vorstehend beschrieben, um den vorstehend genannten Einfluss der schaltbaren Kanalgebiete zu reduzieren, während ermöglicht wird, dass die Gatespannung während der rückwärts leitenden Betriebsart angelegt wird, enthält das nicht schalte Freilaufdiodengebiet 1142, das durch die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 gebildet ist, kein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet 151, 153, so dass ein ausreichender kleinster lateraler Abstand zu dem nächstgelegenen funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiet 151, 153 vorhanden ist. Selbst wenn nicht schaltbare Diodenzellen 142, die an der Peripherie des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142 angeordnet sind, durch die Aktion des funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiets 151, 153 irgendeiner aus den IGBT-Zellen 141 oder den schaltbaren Diodenzellen 143, die neben dem nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiet 1142 angeordnet sind, beeinträchtigt sein könnten und somit inaktiviert sein könnten, bleiben nicht schaltbare Diodenzellen in der Mitte des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142 unbeeinträchtigt. Diese "mittleren" nicht schaltbaren Diodenzellen 142 können als "normale" Freilaufdiode funktionieren, so dass kein Snap-Back auftritt oder vernachlässigbar ist.
  • Darüber hinaus ist es möglich, die schaltbaren Diodenzellen 143 selektiv zwischen Kurve 201 und 202 (Unipolarbetriebsart und Bipolarbetriebsart) umzuschalten. Wenn sowohl das schaltbare Freilaufdiodengebiet und das nicht schaltbare Diodengebiet integriert werden unter der Bedingung, dass das Verhalten des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets nicht durch das Umschalten des schaltbaren Freilaufdiodengebiets beeinträchtigt ist, dann würde die gemeinsame Kennlinie beider Gebiete ungefähr den Kurven 202 und 203 entsprechen, abhängig davon, ob die schaltbaren Diodenzellen 143 in der Unipolarbetriebsart oder Bipolarbetriebsart sind. Wenn die schaltbaren Diodenzellen 143 in der Unipolarbetriebsart sind, entspricht die gemeinsame Kennlinie ungefähr Kurve 202, und wenn diese Zellen in die Bipolarbetriebsart umgeschaltet werden, dann entspricht die gemeinsame Kennlinie ungefähr Kurve 203. Ein Snap-Back, wie vorstehend erläutert, ist nicht zu beobachten oder vernachlässigbar, weil die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 oder wenigstens die meisten der nicht schaltbaren Diodenzellen nicht durch die schaltbaren Diodenzellen 143 beeinträchtigt sind. In dem Fall, dass einige, jedoch nicht alle der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 beeinträchtigt würden, wäre ihr Einfluss auf die gemeinsame Kennlinie klein.
  • Die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 sind deshalb "gebündelt", um größere Zellengebiete zu bilden, d. h. ein oder mehrere nicht schaltbare Freilaufdiodengebiete 1142. Diese Zellengebiete können auch als "Metazellen" beschrieben werden, da jede der "Metazellen" als eine große Diode zum Führen eines Rückwärtsstroms funktioniert.
  • Das Bündeln der nicht schaltbaren Zellen 142 stellt sicher, dass der Rückwärtsstrom überwiegend durch einen Bipolarstrom geführt wird und dass die n-dotierten Emittergebiete 116, die gegenüber den nicht schaltbaren Zellen 142 angeordnet sind, während der Rückwärtsbetriebsart des Halbleiterbauelements effizient Elektronen in das Driftgebiet 113 injizieren können. Zusätzlich kann das Latch-up-Risiko reduziert sein, was weiter zu der Robustheit des Halbleiterbauelements beiträgt.
  • Das Halbleiterbauelement kann deshalb drei unterschiedliche Typen von Gebieten aufweisen, die unterschiedliche Funktionalität bereitstellen.
  • Das IGBT-Zellengebiet 1141 stellt die eigentliche IGBT-Funktion zum Umschalten eines Laststroms bereit. Gemäß einer Ausführungsform enthält das Halbleiterbauelement ein einziges großes IGBT-Zellengebiet 1141 (das einen einfach verbundenen Bereich bilden kann), das alle IGBT-Zellen 141 enthält.
  • Das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142 stellt sicher, dass das Halbleiterbauelement schnell leitend gemacht wird, wenn der Laststrom, d. h. ICE, von dem Vorwärtsstrom zu dem Rückwärtsstrom übergeht, unabhängig davon, ob irgendeines der schaltbaren Kanalgebiete 151, 153 leitend ist oder nicht. Das Snap-Back-Verhalten wird unterdrückt und das Halbleiterbauelement ist bereits bei niedrigen Rückwärtsströmen rückwärts leitend.
  • Das schaltbare Freilaufdiodengebiet 1143 kann entweder betrieben werden, um als eine Freilaufdiode zu funktionieren, oder als ein leitender elektrischer Pfad zum Entsättigen des Driftgebiets 113.
  • Jeder der vorstehenden Typen von Gebieten kann für seine jeweilige Funktion optimiert werden, ohne einen der anderen Typen von Gebieten zu beeinflussen. Beispielsweise kann die Anodeneffizienz, d. h. die Effizienz der jeweiligen Bodygebiete 112, um Ladungsträger in das Driftgebiet 113 zu injizieren, des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142 reduziert sein im Vergleich zu den benachbarten Abschnitten des schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1143. Die reduzierte Anodeneffizienz reduziert Ladungsträgerinjektion, was vorteilhaft ist, wenn zur gleichen Zeit das Halbleiterbauelement durch das schaltbare Freilaufdiodengebiet entsättigt wird. Die Anodeneffizienz des schaltbaren Freilaufdiodengebiets ist typischerweise nicht reduziert, so dass dann, wenn das Halbleiterbauelement nicht entsättigt wird, das Driftgebiet 113 durch Ladungsträger überschwemmt wird.
  • 1D zeigt Ausführungsformen für die lokale Verteilung der unterschiedlichen Typen von Gebieten. In dem linken Teil von 1D nimmt das IGBT-Zellengebiet 1141 den mittleren Teil des Halbleiterbauelements ein, in Ebenenprojektion auf die erste Oberfläche 101 betrachtet. Ein Bereich des schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1143 umgibt das IGBT-Zellengebiet 1141. Innerhalb des Bereichs des schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1143 sind mehrere nicht schaltbare Freilaufdiodenzellengebiete 2142 angeordnet, die in dieser Ausführungsform von derselben Größe und in einem konstanten lateralen Abstand sind. Die Ausführungsform in dem rechten Teil von 1D zeigt nicht schaltbare Freilaufdiodengebiete 3142 mit variabler Größe und Abstand.
  • Mit Hinblick auf das Vorstehende enthält das Halbleitersubstrat 100 gemäß einer Ausführungsform mehrere voneinander beabstandete nicht schaltbare Freilaufdiodengebiete 1142, 2142, 3142, von denen jede mehrere nicht schaltbare Diodenzellen 142 aufweist, wobei die laterale Verteilung der nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete 1141, 2142, 3142 inhomogen ist.
  • Wie vorstehend erläutert kann ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform ein Halbleitersubstrat 100, eine vorderseitige Metallisierung 171, eine rückseitige Metallisierung 172 und wenigstens ein IGBT-Zellengebiet, das in das Halbleitersubstrat 100 integriert ist und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet 151 zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet 113 des Halbleitersubstrats 100 aufweist, enthalten. Das Halbleiterbauelement kann ferner wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet enthalten, das in das Halbleitersubstrat 100 integriert ist und einen pn-Übergang und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet 153 zum Kurzschließen des pn-Übergangs und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung über das schaltbare Freilaufdiodengebiet zwischen der vorderseitigen Metallisierung und der rückseitigen Metallisierung aufweist. Wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet kann in das Halbleitersubstrat 100 integriert sein und enthält einen pn-Übergang. Das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet weist einen Flächenschwerpunkt auf, gesehen in Normalprojektion auf die erste Oberfläche 101, wobei der Flächenschwerpunkt des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets von dem nächstgelegenen funktionsfähigen Kanalgebiet 153 um einen Abstand von wenigstens 30 µm oder 40 µm (oder einen spezifischen Abstand pro Leitfähigkeit (Abstand/Leitfähigkeit) im Bereich von 300 µm·Ohm·cm bis 30000 µm·Ohm·cm, insbesondere im Bereich von 1000 µm·Ohm·cm bis 10000 µm·Ohm·cm beabstandet ist. Der Ort des Flächenschwerpunkts ist bei 2142a für ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet 2142 in 1D schematisch dargestellt. Das nächstgelegene funktionsfähige schaltbare Kanalgebiet 153 ist in dem schaltbaren Freilaufdiodengebiet 1143 gebildet, das das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 2142 in 1D umgibt.
  • Der Minimalabstand oder spezifische Abstand pro Leitfähigkeit, der vorstehend beschrieben ist, kann in geometrischen Ausdrücken oder in relativen Ausdrücken beschrieben werden, abhängig von der Leitfähigkeit des Driftgebiets 113, da die Leitfähigkeit des Driftgebiets 113, wie vorstehend erläutert, einen Einfluss auf den lateralen Spannungsabfall innerhalb des Driftgebiets 113 aufweist.
  • Je größer der vorstehend genannte Abstand oder spezifische Abstand ist, desto mehr nicht schaltbare Diodenzellen 142 bleiben durch die Aktion der schaltbaren Kanalgebiete 151, 153 der IGBT-Zellen 141 und der schaltbaren Diodenzellen 143 unbeeinträchtigt.
  • Mit Hinblick auf das Vorstehende enthält ein Halbleiterbauelement einer Ausführungsform ein Halbleitersubstrat 100, eine vorderseitige Metallisierung 171 auf einer ersten Seite 101 (oder vorderen Oberfläche) des Halbleitersubstrats 100 und eine rückseitige Metallisierung 172 auf einer zweite Seite 102 (oder zweiten Oberfläche) des Halbleitersubstrats 100. Mehrere IGBT-Zellen 141 sind in das Halbleitersubstrat 100 integriert und bilden wenigstens ein IGBT-Zellengebiet, wobei jede der IGBT-Zellen 141 ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet 151 zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet 113 des Halbleitersubstrats 100 enthält. Mehrere schaltbare Diodenzellen 143 sind in das Halbleitersubstrat 100 integriert und bilden wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet, wobei jede der schaltbaren Diodenzellen 143 einen pn-Übergang und ein schaltbares Kanalgebiet 153 zum Kurzschließen des pn-Übergangs der jeweiligen schaltbaren Diodenzelle 143 und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung über die jeweilige schaltbare Diodenzelle 143 zwischen der vorderseitigen Metallisierung und der rückseitigen Metallisierung enthält. Mehrere nicht schaltbare Diodenzellen 142 sind in das Halbleitersubstrat 100 integriert und bilden wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet, wobei jede der nicht schaltbaren Diodenzellen 143 einen pn-Übergang enthält, wobei kein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet 151, 153 zwischen zwei beliebigen der nicht schaltbaren Diodenzellen 143 aus den mehreren nicht schaltbaren Diodenzellen 143 des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets angeordnet ist.
  • Die IGBT-Zellen 141 und die schaltbaren Diodenzellen 143 können dieselbe Konfiguration an der ersten Oberfläche oder ersten Seite 101 aufweisen. Sowohl die IGBT-Zellen 141 als auch die schaltbaren Diodenzellen 143 können Sourcegebiete 111 und schaltbare Kanalgebiete 151, 153 enthalten. IGBT-Zellen 141 sind jedoch teilweise ausschließlich gegenüber den p-dotierten Emittergebieten 114 angeordnet, die an der zweiten Oberfläche oder zweiten Seite 102 des Halbleitersubstrats 100 gebildet sind. In der Ebenenprojektion der IGBT-Zellen 141 auf die zweite Seite 102 sind alle IGBT-Zellen 143 typischerweise innerhalb eines Bereichs, der nur p-dotierte Emittergebiete 114 und keine n-dotierten Emittergebiete 116 enthält. Im Unterschied dazu sind die schaltbaren Diodenzellen 143 gegenüber den n-dotierten Emittergebieten 116 oder einem Muster aus n-dotierten Emittergebieten 116 und p-dotierten Emittergebieten 114 angeordnet. In der Ebenenprojektion der schaltbaren Diodenzellen 143 auf die zweite Seite 102 sind alle schaltbaren Diodenzellen 143 typischerweise innerhalb eines Bereichs, der sowohl p-dotierte Emittergebiete 114 als auch n-dotierte Emittergebiete 116 enthält.
  • Die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 können auch gegenüber den n-dotierten Emittergebieten 116 oder einem Muster aus n-dotierten Emittergebieten 116 und p-dotierten Emittergebieten 114 angeordnet sein. In der Ebenenprojektion der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 auf die zweite Seite 102 sind alle nicht schaltbaren Diodenzellen 143 typischerweise innerhalb eines Bereichs, der sowohl p-dotierte Emittergebiete 114 als auch n-dotierte Emittergebiete 116 enthält.
  • Gemäß einer Ausführungsform bilden die n-dotierten Emittergebiete 116 und die p-dotierten Emittergebiete 114 ein regelmäßiges geometrisches Muster wie z. B. ein Muster aus Streifen oder ein Schachbrettmuster. Andere Typen von Mustern sind ebenfalls möglich. Ein regelmäßiges Muster aus Streifen ist beispielsweise in den 7A und 7B gezeigt.
  • Gemäß einer Ausführungsform bilden die n-dotierten Emittergebiete 116 und die p-dotierten Emittergebiete 114 ein unregelmäßiges geometrisches Muster mit beispielsweise zunehmendem oder abnehmendem Verhältnis zwischen dem Bereich, der durch die n-dotierten Emittergebiete 116 und die p-dotierten Emittergebiete 114 eingenommen wird, zu dem äußeren Umfang des Halbleiterbauelements hin.
  • Der Bereich, der durch die n-dotierten Emittergebiete 116 und die p-dotierten Emittergebiete 114 eingenommen wird, kann innerhalb des Musters gleich sein oder kann verschieden sein. Beispielsweise kann der Gesamtbereich, der durch die n-dotierten Emittergebiete 116 eingenommen wird, größer sein als der Gesamtbereich, der durch bei die p-dotierten Emittergebiete 114 in dem Muster eingenommen wird. Alternativ kann der Gesamtbereich, der durch die n-dotierten Emittergebiete 116 eingenommen wird, kleiner sein als der Gesamtbereich, der durch bei die p-dotierten Emittergebiete 114 in dem Muster eingenommen wird.
  • Wenn n-dotierte Emittergebiete 116 und p-dotierte Emittergebiete 114 gegenüber dem schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiet gebildet werden, das beispielsweise durch gebündelte schaltbare Diodenzellen 143 gebildet sein kann, kann das schaltbare Freilaufdiodenzellengebiet in der vorwärts leitenden Betriebsart des Halbleiterbauelements als IGBT-Zelle und in der rückwärts leitenden Betriebsart entweder als unipolar leitende Zelle (wenn eine Gatespannung angelegt ist) oder als "normale" Diodenzelle zum Führen eines Rückwärtsbipolarstroms (wenn keine Gatespannung angelegt ist) funktionieren.
  • Das Muster aus n-dotierten Emittergebieten 116 und p-dotierten Emittergebieten 114 gegenüber dem schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiet kann auch als Bimodalgebiet bezeichnet werden, da dieses Gebiet zwei Funktionen oder Betriebsarten des schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets bereitstellt, die Bipolarbetriebsart (wenn keine Gatespannung oder eine Gatespannung kleiner als die Gateschwellenspannung Vth angelegt ist) und die Unipolarbetriebsart (wenn eine Gatespannung größer als die Gateschwellenspannung Vth angelegt ist).
  • Gemäß einer Ausführungsform sind in einer Normalprojektion auf die zweite Seite 102 des Halbleitersubstrats 100 wenigstens 50 %, typischerweise wenigstens 55 %, noch typischer wenigstens 60 % des Bereichs, der durch das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142 bedeckt ist, oberhalb eines Emittergebiets 116 vom zweiten Leitfähigkeitstyp (beispielsweise p-dotiert), das auf der zweiten Seite 102 des Halbleitersubstrats 100 gebildet ist. Der verbleibende Bereich, der durch das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142 bedeckt ist, ist dann oberhalb eines Emittergebiets 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind in einer Normalprojektion auf die zweite Seite des Halbleitersubstrats 100 wenigstens 50 %, typischerweise 55 %, noch typischer wenigstens 60 % des Bereichs, der durch das Emittergebiet oder Gebiete 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp (beispielsweise n-dotiert), die auf der zweiten Seite 102 des Halbleitersubstrats 102 gebildet sind, durch das schaltbare Freilaufdiodengebiet 1143 und/oder Abschnitt des IGBT-Zellengebiets 1141 bedeckt. Der verbleibende Bereich, der durch das schaltbare Freilaufdiodengebiet 1143 bedeckt ist, ist dann oberhalb eines Emittergebiets 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 oder das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet oder die nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete oberhalb des Emittergebiets 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist jede der IGBT-Zellen 141 oder des IGBT-Zellengebiets oder der IGBT-Zellengebiete oberhalb des Emittergebiets 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die schaltbaren Diodenzellen 142 oder das schaltbare Freilaufdiodengebiet oder die schaltbaren Freilaufdiodengebiete oberhalb eines Bimodalgebiets gebildet, das durch mehrere aus dem Emittergebiet 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp und mehreren aus dem Emittergebiet 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Gesamtbereich der nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete 1142 oberhalb des Bimodalgebiets oder oberhalb des Emittergebiets 114 vom ersten Leitfähigkeitstyp, falls kein Bimodalgebiet gebildet ist, gleich oder kleiner als 50 % dem Gesamtbereich des Bimodalgebiets oder des Emittergebiets 114 vom ersten Leitfähigkeitstyp, falls kein Bimodalgebiet gebildet ist. Typischerweise ist der Gesamtbereich der nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete 1142 oberhalb des Bimodalgebiets oder oberhalb des Emittergebiets 114 vom ersten Leitfähigkeitstyp, falls kein Bimodalgebiet gebildet ist, 5 % bis 50 %, insbesondere 10 % bis 45 %, ganz besonders 10 % bis 40 %.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das Halbleiterbauelement, wie sie in 1A bis 1C und 2A bis 2C dargestellt ist, imstande ist, eine positive VCE zu sperren, jedoch im Wesentlichen keine negative VCE aufgrund der integrierten Freilaufdiodengebiete.
  • Wie vorstehend erläutert sind ein oder mehrere nicht schaltbare Freilaufdiodengebiete bereitgestellt, die wenigstens einen Streifen oder eine Grabenzelle mit einer elektrischen Verbindung des Bodygebiets 112 zu dem Emitteranschluss E enthalten können, und wobei die Zelle nicht durch die Aktion eines schaltbaren Kanalgebiets wie z. B. des n-Kanals der schaltbaren Diodenzelle 143 oder der IGBT-Zelle 141 beeinflusst ist. Um das zu bewirken, ist die nicht schaltbare Zelle von dem nächstgelegenen schaltbaren Kanalgebiet 151, 153 ausreichend beabstandet.
  • Mehrere nicht schaltbare Diodenzellen 142 können gruppiert oder gebündelt sein und mit spezifischen Eigenschaften versehen sein, die von Eigenschaften der schaltbaren Diodenzellen 143 verschieden sind.
  • Beispielsweise im Fall eines nicht zu entsättigenden RC-IGBT (Gatespannung in der RC-Betriebsart immer bei 0 V oberhalb einem spezifischen oder vordefinierten Laststromschwellenwert Idet, und Gatespannung immer bei beispielsweise +15 V unterhalb von Idet) können die nicht schaltbaren Zellen 142 konfiguriert sein, so dass das vorstehend beschriebene Snap-Back-Verhalten verhindert oder wenigstens signifikant reduziert wird.
  • Für einen zu entsättigenden steuerbaren RC-IGBT (beispielsweise RC-D-Cdesat) ist es wünschenswert, die Anodeneffizienz relativ zu dem normalen RC-Betrieb zu reduzieren. Beispielsweise kann die Anodeneffizienz der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 durch selektives Reduzieren der p-Dotierung der Bodygebiete 112 und/oder durch ein n-dotiertes Sperrschichtgebiet direkt unterhalb des Bodygebiets 112 reduziert werden. Die Anodeneffizienz der schaltbaren Diodenzellen ist nicht oder nur in kleinerem Umfang reduziert, um eine große Ladungsträgerüberflutung für die nicht entsättigende Betriebsart bereitzustellen und um Einfluss auf andere Betriebsarten wie z. B. Vorwärtsleitfähigkeit des IGBT, IGBT-Schaltverhalten und sofortiges Sperren des IGBT zu vermeiden.
  • Eine reduzierte Bodydotierung ist beispielsweise in den 2A bis 2C dargestellt, die die Bodygebiete 112a der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 zeigen, so dass sie eine geringere p-Dotierung aufweisen, angegeben durch p-, im Vergleich zu der Bodydotierung der Bodygebiete 112 der schaltbaren Diodenzellen 143, angegeben durch p.
  • Wie vorstehend beschrieben kann jede der schaltbaren Diodenzellen 143 und jede der IGBT-Zellen 141 ein Sourcegebiet 111 von einem ersten Leitfähigkeitstyp in ohmscher Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung 117, ein Driftgebiet 113 vom ersten Leitfähigkeitstyp, ein Bodygebiet 112 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, das zwischen dem Sourcegebiet 111 und dem Driftgebiet 113 angeordnet ist und jeweilige pn-Übergänge mit dem Sourcegebiet 111 und dem Driftgebiet 113 bildet, und eine Gateelektrode 121, die benachbart zu und elektrisch isoliert von dem Bodygebiet 112 angeordnet ist, um das jeweilige schaltbare Kanalgebiet 151, 153 jeder der schaltbaren Diodenzellen 143 und der IGBT-Zellen 141 zu bilden, enthalten. Jede der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 enthält ein Driftgebiet 113 vom ersten Leitfähigkeitstyp und ein Bodygebiet 112 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das einen pn-Übergang mit dem Driftgebiet 113 bildet. Das Bodygebiet 112 ist in ohmscher Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung 171.
  • Darüber hinaus kann das Halbleitersubstrat 100 wenigstens ein Emittergebiet 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das auf der zweiten Seite oder zweiten Oberfläche 102 des Halbleitersubstrats 100 gebildet ist, und wenigstens ein Emittergebiet 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp auf der zweiten Seite oder zweiten Oberfläche 102 des Halbleitersubstrats 100 enthalten. Die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 des wenigstens einen nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets sind jeweils oberhalb des Emittergebiets 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet.
  • Typischerweise sind die IGBT-Zellen 141 hauptsächlich oder ausschließlich gegenüber einem oder mehreren Emittergebieten 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp (p-dotiertes Emittergebiet) gebildet. Im Unterschied dazu sind die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 und die schaltbaren Diodenzellen 143 jeweils gegenüber einem oder mehreren Emittergebieten 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp (n-dotierten Emittergebiet) oder gegenüber einem Muster, das durch Emittergebiete 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp (p-dotiertes Emittergebiet) und Emittergebieten 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp (n-dotiertes Emittergebiet) gebildet ist, gebildet. Die nicht schaltbaren Diodenzellen 143 können deshalb als IGBT-Zellen während der vorwärts leitenden Betriebsart und als Freilaufdiode während der rückwärts leitenden Betriebsart dienen.
  • Die Integration des schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1143 und des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets ist insbesondere vorteilhaft an dem Übergang von der vorwärts leitenden Betriebsart zu der rückwärts leitenden Betriebsart. Typischerweise ist eine Stromdetektionseinheit bereitgestellt, um die Richtung des Stroms zu detektieren, so dass das Halbleiterbauelement dementsprechend angesteuert werden kann. Am Übergang von der vorwärts leitenden Betriebsart zu der rückwärts leitenden Betriebsart ist jedoch der Absolutwert des Stroms niedrig, und die Stromdetektionseinheit kann beim korrekten Detektieren des Stromflusses versagen. Das ist besonders relevant, da der Übergang sehr häufig auftreten kann.
  • Da die Richtung des Stroms unbekannt ist, wenn die Stromdetektionseinheit nicht imstande ist, den Strom zu detektieren, bleibt die Gatespannung angelegt. Das könnte das Snap-Back-Verhalten beim Übergang in Halbleiterbauelementen verursachen, die keine gebündelte Anordnung der nicht schaltbaren Diodenzellen 1142 aufweisen.
  • Darüber hinaus, um den Schaltverlust während des Umschaltens zu reduzieren, kann das Halbleiterbauelement für eine gegebene Zeit t’1 in der Bipolarbetriebsart gehalten werden, so dass die gemeinsame Kennlinie sowohl des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142 als auch des schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1143 Kurve 203 von 3 (keine Gatespannung angelegt) entspricht. Kurz vor dem Übergang wird das schaltbare Diodengebiet 1143 für eine Dauer t’’1 in die Unipolarbetriebsart (Gatespannung ist angelegt) gebracht, um das Überschwemmen des Driftgebiets 113 zu reduzieren. Das bedeutet, dass die gemeinsame Kennlinie sowohl des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142 als auch des schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1143 Kurve 202 von 3 entspricht.
  • Insbesondere wenn das Halbleiterbauelement in einer rückwärts leitenden Betriebsart betrieben wird, sind typischerweise alle IGBT-Zellen 141 nicht leitend und alle nicht schaltbaren Diodenzellen 142 und schaltbaren Diodenzellen 143 sind leitend und in der Bipolarbetriebsart. In der rückwärts leitenden Betriebsart ist das Halbleiterbauelement imstande, einen Rückwärtsstrom durch die Diodenzellen 142, 143 zu führen. In dieser Betriebsart sind die schaltbaren Kanalgebiete 151 nicht leitend, da eine Gatespannung unterhalb der Gateschwellenspannung Vth an die Gateelektroden 121 angelegt ist. Genauer gesagt ist der Absolutwert der angelegten Gatespannung unterhalb des Absolutwerts der Gateschwellenspannung Vth.
  • In der vorwärts sperrenden Betriebsart des Halbleiterbauelements sind die nicht schaltbaren Diodenzellen 142, die schaltbaren Diodenzellen 143 und die IGBT-Zellen 141 in einer nicht leitenden Betriebsart. Die schaltbaren Kanalgebiete 151 sind nicht leitend, da die Gatespannung unterhalb der Gateschwellenspannung Vth bleibt.
  • Wie in 6 dargestellt ist, kann das Halbleiterbauelement in einer Übergangsbetriebsart betrieben werden, um das Halbleiterbauelement von der rückwärts leitenden Betriebsart in die vorwärts sperrende Betriebsart zu bringen. Die Übergangsbetriebsart ist die Betriebsart während der Dauer t’’1. Während der Übergangsbetriebsart bleibt das Halbleiterbauelement zum Führen eines Rückwärtsstroms fähig, der hauptsächlich durch die aktiven nicht schaltbaren Diodenzellen 142 geführt wird, die in der Bipolarbetriebsart sind. Die schaltbaren Diodenzellen 143 und die IGBT-Zellen 141 sind in der Unipolarbetriebsart und können einige wenige nicht schaltbare Diodenzellen 142 deaktivieren. Die Gesamtzahl von Diodenzellen, die in einer Bipolarbetriebsart sind, ist somit reduziert, so dass das Überschwemmen des Driftgebiets 113 mit Ladungsträgern geringer ist. Da eine Gatespannung, die einen Absolutwert aufweist, der größer ist als die Gateschwellenspannung Vth, während der Übergangsbetriebsart an die Gateelektroden 121 angelegt ist, sind die schaltbaren Kanalgebiete 151 leitend, um die Entsättigung des Driftgebiets 113 weiter zu unterstützen und Schaltverluste zu reduzieren.
  • Sowohl die Übergangsbetriebsart als auch die rückwärts leitende Betriebsart bilden zusammen die sogenannte Freilaufbetriebsart des Halbleiterbauelements, die in 6 als FWD angegeben ist.
  • In der Übergangsbetriebsart sind die schaltbaren Kanalgebiete 151 leitend, während in der vorhergehenden rückwärts leitenden Betriebsart und vorwärts sperrenden Betriebsart die schaltbaren Kanalgebiete 151 nicht leitend sind. Eine Gatespannung oberhalb der Gateschwellenspannung Vth ist somit nur während der Übergangsbetriebsart angelegt. Die Dauer der Übergangsbetriebsart ist typischerweise kürzer als die Dauer der rückwärts leitenden Betriebsart. Beispielsweise kann das Verhältnis von t’’1/t’1 (Dauer der Übergangsbetriebsart/Dauer der rückwärts leitenden Betriebsart) im Bereich von 0,2 und 0,02 oder beispielsweise 0,05 sein.
  • Darüber hinaus weist der Spannungsabfall, der zwischen den Emitter-Kollektor-Anschlüssen auftritt, während der Übergangsbetriebsart und der rückwärts leitenden Betriebsart das gleiche Vorzeichen auf. Der Spannungsabfall während der Übergangsbetriebsart und der rückwärts leitenden Betriebsart ist das Ergebnis eines Rückwärtsstroms, der beispielsweise durch eine induktive Last vorgegeben ist. Der Spannungsabfall, der zwischen dem Kollektoranschluss und dem Emitteranschluss während der Übergangsbetriebsart und der rückwärts leitenden Betriebsart auftritt, kann auch als Rückwärtsspannung bezeichnet sein.
  • Im Unterschied dazu weist der Spannungsabfall, der zwischen den Emitter- und Kollektorschlüssen in der vorwärts sperrenden Betriebsart (und auch in der vorwärts leitenden Betriebsart) auftritt, ein zu dem Spannungsabfall der Übergangsbetriebsart und der rückwärts leitenden Betriebsart entgegengesetztes Vorzeichen auf und kann als Vorwärtsspannung bezeichnet sein. Die Übergangsbetriebsart ist deshalb nicht mit der vorwärts leitenden Betriebsart vergleichbar. Beispielsweise für einen IGBT mit p-dotierten Bodygebieten ist der Spannungsabfall (Vorwärtsspannung), der zwischen den Emitter- und Kollektoranschlüssen in irgendeiner Vorwärtsbetriebsart auftritt, positiv, während der Spannungsabfall (Rückwärtsspannung) sowohl in der rückwärts leitenden Betriebsart als auch in der Übergangsbetriebsart negativ ist.
  • Der Spannungsabfall, der zwischen den Emitter- und Kollektoranschlüssen auftritt, ändert somit das Vorzeichen, wenn das Halbleiterbauelement von der Übergangsbetriebsart in die vorwärts sperrende Betriebsart gebracht wird. Keine Änderung von Vorzeichen tritt auf, wenn das Halbleiterbauelement von der rückwärts leitenden Betriebsart in die Übergangsbetriebsart gebracht wird.
  • Das vorstehend beschriebene Umschaltschema ist in 6 angegeben. Die entsprechende Beziehung zwischen den Umschaltverlusten Ploss und der resultierenden Kollektor-Emitter-Spannung VCE für unterschiedliche Gatespannungen ist in 5 dargestellt.
  • 8A und 8B stellen einen Abschnitt eines Halbleiterbauelements und insbesondere ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet 1142 dar. Die horizontale oder laterale Ausdehnung des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142 ist angegeben durch dx in einer ersten lateralen Richtung und durch dy in einer zweiten lateralen Richtung, die auch als Längsrichtung bezeichnet wird, da diese Richtung parallel zur Ausdehnung der Gräben 120 ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann dy wenigstens das 5-Fache des Grabenabstands sein, insbesondere wenigstens das 10-Fache des Grabenabstands. Gemäß einer Ausführungsform kann dx wenigstens das 3-Fache des Grabenabstands sein, insbesondere wenigstens das 5-Fache des Grabenabstands.
  • Die rechteckige Schicht 190, deren Ausdehnung der lateralen Ausdehnung dx und der Längenausdehnung dy des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142 entspricht, stellt eine Maskenschicht dar, die verwendet wird, um das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142 während Sourcegebietimplantierung zu bedecken, so dass keine Sourcegebiete 111 in dem nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiet 1142 gebildet werden. Die Maskenschicht 190 kann auch während eines Bodyimplantierungsprozesses verwendet werden, um die Bodyimplantierungsdosis relativ zu den verbleibenden Abschnitten des Halbleitersubstrats 100 zu reduzieren. Beispielsweise kann eine Zweischritt-Bodyimplantierung ausgeführt werden, wobei die Maskenschicht 190 das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142 während eines der zwei Bodyimplantierungsschritte bedeckt, so dass die gesamte Dosis, die in das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142 implantiert wird, reduziert ist.
  • Mehrere Gräben 120 sind in 8A dargestellt. Jeder 5. Graben 120 ist mit einer Gateelektrode 121 versehen, während alle anderen Gräben, d. h. die Gräben 1 bis 4, mit einer Feldelektrode 131 versehen sind, die mit dem Emitteranschluss E elektrisch verbunden ist und deshalb auf demselben elektrischen Potential wie die Sourcegebiete 111 ist. Die Gateelektroden 111 sind in dem Bereich, der durch das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142 eingenommen wird, unwirksam, sind jedoch wirksam, um schaltbare Kanalgebiete 151 in dem IGBT-Zellengebiet 1141 und dem schaltbaren Freilaufdiodengebiet 1143 zu bilden.
  • Kontaktgebiete oder Kontaktgräben, die durch Bodykontaktgebiete 115 gebildet sein können, sind auch in Mesagebieten 125 gebildet, insbesondere oder ausschließlich benachbart den Gräben 120, die Gateelektroden 121 enthalten.
  • Wie in den 8A und 8B dargestellt, sind nicht alle Mesagebiete 125 in elektrischem Kontakt. Die Mesagebiete 125, die nicht in elektrischem Kontakt sind, bilden sogenannte Scheinzellen. Scheinzellen können innerhalb jedes Zellengebiets angeordnet sein, d. h. innerhalb des IGBT-Zellengebiets 1141, des nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1142 und des schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1143.
  • Gemäß einer spezifischen Ausführungsform kann dx ungefähr 30 µm sein, und dy kann ungefähr 80 µm sein. Typischerweise ist dy größer als dx, da der laterale Spannungsabfall in der Längsrichtung der Gräben 120 (d. h. entlang dy) kleiner ist als in der lateralen Richtung (d. h. dx) senkrecht zu der Längenausdehnung der Gräben 120. Deshalb ist ein größerer Minimalabstand des mittleren Bereichs des nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1142 erwünscht.
  • Das Snap-Back-Verhalten, wie es in 4 dargestellt ist, ist simuliert worden unter Verwendung einer Konfiguration, wie sie in 8A und 8B gezeigt ist, mit dx von etwa 20 µm für Kurve 301, dx von etwa 40 µm für Kurve 302 und dx von etwa 55 µm für Kurve 303. Wie vorstehend erläutert, wenn die am weitesten entfernte schaltbare Diodenzelle 142, d. h. die mittlere Zelle oder der mittlere Abschnitt des nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1142, von der nächstgelegenen schaltbaren Diodenzelle 143 durch einen ausreichend kleinen Minimalabstand beabstandet ist, kann das Snap-Back-Verhalten verhindert werden oder reduziert sich wenigstens signifikant, wie für Kurve 302 gezeigt ist.
  • Das nicht schaltbare Freilaufdiodenzellengebiet 1142 (d. h. das "Metallzellengebiet") ist ein inaktives Zellengebiet während der vorwärts leitenden Betriebsart des Halbleiterbauelements, d. h. während der IGBT-Betriebsart. Das nicht schaltbare Freilaufdiodenzellengebiet 1142 trägt jedoch zu der Wärmekapazität des Halbleiterbauelements während eines Lawinen- oder Kurzschlussbetriebs bei. Es ist deshalb möglich, die Kanalbreite in Gebieten außerhalb des nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1142, insbesondere in dem IGBT-Zellengebiet 1141, um einen Betrag zu erhöhen, der dem Bereich entspricht, der durch das nicht schaltbare Freilaufdiodenzellengebiet 1142 eingenommen wird. Der vergrößerte Bereich der leitenden Kanäle (Inversionskanäle) in dem IGBT-Zellengebiet 1141 ist somit durch den inaktiven Bereich des nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1142 kompensiert. Der gesamte Entsättigungsstrom des Halbleiterbauelements oder die gesamte abgeleitete Energie während eines Kurzschlussbetriebs des Halbleiterbauelements kann deshalb konstant gehalten werden.
  • 7A und 7B stellen weitere Beispiele für die Verteilung des nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1142, des schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1143 und des IGBT-Zellengebiets 1143 dar. 7B zeigt eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts, der in 7A durch das gestrichelte Rechteck 700 angegeben ist.
  • Wie in 7A gezeigt ist, bedeckt das IGBT-Zellengebiet 1143 hauptsächlich den mittleren Bereich des Halbleiterbauelements und ist als einzelnes Gebiet gebildet. Das schaltbare Freilaufdiodenzellengebiet 1143 enthält vier getrennte Gebiete, die gemeinsam das IGBT-Zellengebiet 1143 lateral umgeben. Eines aus den vier schaltbaren Freilaufdiodenzellengebieten 1143 ist durch eine gepunktete Linie markiert. Mehrere getrennte nicht schaltbare Freilaufdiodenzellengebiete 1142 sind innerhalb jedes der schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiete 1143 gebildet.
  • Die nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiete 1142 unterscheiden sich von dem schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiet 1143 durch wenigstens eines aus einem Kontaktschema oder Muster zum Kontaktieren der jeweiligen Body- und/oder Sourcegebiete, einer unterschiedlichen Sourceimplantierung (Sourcegebiete unterschiedlicher Dotierungskonzentration) oder keine Sourcegebiete, unterschiedliche Sperrschichtgebiete, eine reduzierte Dotierungskonzentration der jeweiligen Bodygebiete und eine unterschiedliche Grabenbildung. Spezifische Einzelheiten, die sich auf die Variation von Zellenparametern beziehen, sind nachstehend gegeben.
  • Die vergrößerte Ansicht von 7B zeigt, dass jede aus den schaltbaren Freilaufdiodenzellengebieten 1143 und den nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebieten 1142 durch mehrere Zellen gebildet ist, die Gräben 120 und Mesagebiete 125 zwischen benachbarten Gräben 120 enthalten. Die Anordnung der n-dotierten Emittergebiete 114 auf der zweiten Seite 102 ist durch "n" markiert, während der verbleibende Bereich mit "p" markiert ist, was die p-dotierten Emittergebiete 116 angibt.
  • DIe nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiete 1142 sind von dem umgebenden schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiet 1143 in einer lateralen Richtung durch Gräben 120 und in einer weiteren lateralen Richtung senkrecht zu der Längenausdehnung der Gräben 120 durch isolierende Gräben 127 getrennt. Die isolierenden Gräben 127 sind in den Mesagebieten 125 gebildet und sind mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt, um die elektrische Trennung der nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiete 1142 von dem umgebenden schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiet 1143 zu verbessern und den Einfluss des schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1143 auf die Funktion des nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets 1142 zu reduzieren.
  • Mit Hinblick auf das Vorstehende enthält das Halbleitersubstrat 100 gemäß einer Ausführungsform mehrere Gräben 120 und mehrere Mesagebiete 125, die sich parallel zu den mehreren Gräben 120 erstrecken, wobei ein jeweiliges der Mesagebiete 125 zwischen zwei benachbarten Gräben aus den mehreren Gräben 120 angeordnet und durch diese begrenzt ist. Jede der IGBT-Zellen 141, schaltbaren Diodenzellen 143 und nicht schaltbaren Diodenzellen 142 sind in einem jeweiligen Abschnitt eines Grabens 120 gebildet. Das nicht schaltbare Zellengebiet 1142 ist wenigstens teilweise von dem IGBT-Zellengebiet 1141 und/oder von dem schaltbaren Freilaufdiodengebiet 1143 durch wenigstens einen isolierenden Graben 127 getrennt.
  • Die gebündelten nicht schaltbaren Diodenzellen 142, d. h. das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet, können durch Variation von mehreren Parametern in Bezug auf die schaltbaren Diodenzellen 143 gekennzeichnet sein. Beispielsweise kann das sich typischerweise wiederholende Kontaktmuster zum Kontaktieren von Sourcegebieten zwischen dem nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiet und dem schaltbaren Freilaufdiodengebiet unterschiedlich sein. Darüber hinaus sind keine Kontakte zu Gateelektroden 121, die in Gräben 120 der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 gebildet sind, vorhanden, um Bilden von schaltbaren Kanalgebieten zu vermeiden.
  • Der Zweck ist es, Bilden von schaltbaren Kanalgebieten, d. h. eines ohmschen Pfads, durch die nicht schaltbaren Diodenzellen 142 zu vermeiden. Es sind somit keine aktiven oder schaltbaren ohmschen Kanäle in den nicht schaltbaren Diodenzellen 142 gebildet.
  • 9 stellt eine weitere Ausführungsform für die Anordnung der nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete 1142 dar.
  • 10 bis 14 stellen Beispiele für die Variation von Zellenparametern dar, um Bilden eines Kanals innerhalb der nicht schaltbaren Diodenzellen 142 zu verhindern.
  • 10 stellt eine Querschnittsansicht einer nicht schaltbaren Diodenzelle 242 dar. Eine Gateelektrode 121 ist in dem Graben 120 wie in jeder der schaltbaren Diodenzellen 142 gebildet. Der elektrische Kontakt zu der Gateelektrode 121 wird jedoch durch die Isolierschicht 161 verhindert. Somit wird die Gatespannung, die an den Gateanschluss G angelegt ist, siehe 1A bis 1C und 2A bis 2C, nicht den Gateelektroden 121 der nicht schaltbaren Diodenzelle 242 zugeführt.
  • Das Sourcegebiet 111 und das Bodygebiet 112 sind in elektrischer Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung 171. 10 zeigt somit ein Beispiel, in dem das Kontaktmuster oder Kontaktschema für die Gateelektroden 121 zwischen den nicht schaltbaren Diodenzellen und den schaltbaren Diodenzellen unterschiedlich ist, während die restlichen Zellenparameter gleich sein können. Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich andere Zellenparameter zu variieren, wie z. B. die Dotierungskonzentration der Bodygebiete 112, für Beispiele siehe 2A bis 2C, die zeigen, dass die Bodygebiete 112a der nicht schaltbaren Diodenzellen 142a, 142b, 142c, 142d eine geringere Dotierungskonzentration aufweisen als die Bodygebiete 112 der schaltbaren Diodenzelle 143.
  • Im Hinblick auf das Vorstehende umfassen gemäß einer Ausführungsform wenigstens einige oder alle der nicht schaltbaren Diodenzellen keine Gateelektrode oder keine isolierte Gateelektrode.
  • 11 stellt die Variation eines weiteren Zellenparameters dar. Die nicht schaltbare Diodenzelle 342 enthält keine Sourcegebiete im Vergleich zu den schaltbaren Diodenzellen 142, wie beispielsweise in 1A bis 1C und 2A zu 2C gezeigt ist. Die restlichen Zellenparameter sind für die nicht schaltbaren Diodenzellen 342 und die schaltbaren Diodenzellen 143 gleich. Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich andere Zellenparameter zu variieren wie z. B. die Dotierungskonzentration der Bodygebiete 112, und/oder Bilden von Gateelektroden in den Gräben der nicht schaltbaren Diodenzellen 342 zu verhindern.
  • 11 zeigt auch ein Zwischenschichtdielektrikum 162, das die vorderseitige Metallisierung 171, die eine Sourcemetallisierung bildet, von der Gatemetallisierung 173 elektrisch isoliert. Die schaltbaren Diodenzellen 143 weisen typischerweise ein solches Kontaktschema oder ein ähnliches Kontaktschema und ein Zwischenschichtdielektrikum 162 zwischen der vorderseitigen Metallisierung 171 und der Gatemetallisierung 173 auf. Es wäre auch möglich, dass die vorderseitige Metallisierung 171 oberhalb der Gatemetallisierung 173 gebildet ist.
  • Obwohl die Gateelektroden 121 mit dem Gateanschluss G elektrisch verbunden sind, bildet die angelegte Gatespannung kein funktionsfähiges oder effektives schaltbares Kanalgebiet. Der Ort des schaltbaren Kanalgebiets ist durch die vertikal verlaufenden gestrichelten Linien parallel zu der vertikalen Ausdehnung der Gateelektrode 121 angegeben. Selbst wenn die angelegte Gatespannung dort einen Inversionskanal bilden würde, bildet dieser Kanal keine effektive ohmsche Verbindung, da keine Sourcegebiete gebildet sind, die eine elektrische Verbindung zwischen dem gebildeten Inversionskanal und der vorderseitigen Metallisierung 171 bereitstellen könnten.
  • Im Hinblick auf das Vorstehende umfassen gemäß einer Ausführungsform wenigstens einige oder alle der nicht schaltbaren Diodenzellen kein Sourcegebiet von einem ersten Leitfähigkeitstyp in ohmscher Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung.
  • 12 stellt weitere Variationen von Zellenparametern dar. Die nicht schaltbaren Diodenzellen 342 von 12 enthalten eine n-Sperrschicht 118 oder ein Sperrschichtgebiet 118 unterhalb des Bodygebiets 112 und zwischen dem Bodygebiet 112 und dem Driftgebiet 113, um die Anodeneffizienz des Bodygebiets 112 zu reduzieren. Die n-Sperrschicht 118 weist eine höhere Dotierungskonzentration auf als das schwach n-dotierte Driftgebiet 113.
  • Im Hinblick auf das Vorstehende können gemäß einer Ausführungsform wenigstens einige oder alle der nicht schaltbaren Diodenzellen ein Sperrschichtgebiet 118 vom ersten Leitfähigkeitstyp enthalten, das zwischen dem Driftgebiet 113 und dem Bodygebiet 112 oder unterhalb des pn-Übergangs zwischen dem Driftgebiet 113 und dem Bodygebiet 112 der jeweiligen nicht schaltbaren Diodenzellen 142 angeordnet ist.
  • Eine weitere Option, um die Anodeneffizienz zu reduzieren, ist die Variation der Dotierungskonzentration der Bodygebiete 112, wie vorstehend weiter erläutert ist. Deshalb weist gemäß einer Ausführungsform das Bodygebiet 112 wenigstens einiger oder aller der nicht schaltbaren Diodenzellen eine Dotierungskonzentration auf, die geringer ist als die Dotierungskonzentration der Bodygebiete 112 der schaltbaren Diodenzellen 143. 14 stellt eine Variation der Anodeneffizienz dar.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind wenigstens einige oder alle der nicht schaltbaren Diodenzellen mit lebenszeitsteuernden Dotanden und/oder Kristalldefekten versehen, um die Lebenszeit von Ladungsträgern im Vergleich zu der Lebenszeit der Ladungsträger in den schaltbaren Diodenzellen 143 zu reduzieren. Beispielsweise sind Pt oder Au lebenszeitsteuernde Dotanden. Kristalldefekte zum Steuern der Lebenszeit von Ladungsträgern können durch Bereitstellen einer Maske, die nur Gebiete der nicht schaltbaren Diodenzellen unbedeckt lässt, und dann Implantieren von nicht dotierenden Verunreinigungen wie z. B. Ar- oder Si-Ionen erzeugt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform können sich wenigstens zwei der nicht schaltbaren Diodenzellen desselben nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets voneinander in wenigstens einem aus der Dotierungskonzentration der jeweiligen Bodygebiete und der Konzentration von lebenszeitsteuernden Dotanden unterscheiden. Die Variationen der Dotierungskonzentration können schrittweise oder allmählich sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist jede der nicht schaltbaren Diodenzellen des ersten nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets eine höhere Emittereffizienz auf als jede der nicht schaltbaren Diodenzellen des zweiten nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets. Es ist somit möglich, nicht schaltbare Freilaufdiodengebiete bereitzustellen.
  • Die Variation der Anodeneffizienz und die Lebenszeitsteuerung können auch gemeinsam und/oder in Kombination mit anderen Variationen von Zellenparametern verwendet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens eine nicht schaltbare Diodenzelle 442b des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets ein Sperrschichtgebiet 118, 118a auf, und wenigstens eine weitere nicht schaltbare Diodenzelle 442a des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets weist kein Sperrschichtgebiet auf. In einer weiteren Variation, entweder in Kombination oder alternativ, weist wenigstens eine nicht schaltbare Diodenzelle 442c des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets ein Sperrschichtgebiet 118b mit einer anderen Dotierungskonzentration wie das Sperrschichtgebiet 118a der nicht schaltbaren Diodenzelle 442b auf. Das Sperrschichtgebiet 118a kann eine niedrigere Dotierungskonzentration aufweisen als das Sperrschichtgebiet 118b, um Sperrschichtgebiete unterschiedlicher Dotierungskonzentrationen zu bilden. Die Variation der Dotierungskonzentration kann schrittweise oder allmählich sein.
  • 12 zeigt auch einen Puffer oder eine Feldstoppschicht 117, der/die zwischen dem Driftgebiet 113 und den jeweiligen Emittergebieten 114 und 116 gebildet ist.
  • Es ist auch möglich, zusätzlich andere Zellenparameter zu variieren, wie z. B. die Dotierungskonzentration der Bodygebiete 112, und/oder das Bilden von Gateelektroden in den Gräben der nicht schaltbaren Diodenzellen 442 zu verhindern und/oder das Bilden von Sourcegebieten der nicht schaltbaren Diodenzellen 442 zu vermeiden.
  • 13 stellt eine weitere Variation von Zellenparametern selbst zwischen benachbarten nicht schaltbaren Diodenzellen 542a und 542b dar. Die nicht schaltbare Diodenzelle 542b weist keine Sourcegebiete 111 und Bodykontaktgebiete 115 auf, wie die nicht schaltbaren Diodenzellen 542a. Um das Bilden eines funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiets zu verhindern, sind die Gateelektroden 121 von der Gatemetallisierung 173 (nicht gezeigt) durch die isolierende Schicht 161 elektrisch isoliert.
  • Darüber hinaus, wie in 13 dargestellt, enthalten wenigstens einige der nicht schaltbaren Diodenzellen 542a ein Bodykontaktgebiet 115 von der zweiten Leitfähigkeit, das in das Bodygebiet 112 eingebettet ist und ein höheres Dotierungsniveau aufweist als das Bodygebiet 112, wobei das Bodykontaktgebiet 115 eine ohmsche Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung 171 bildet.
  • 14 stellt weitere Variationen von Zellenparametern dar. Gemäß einer Ausführungsform enthält das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142b erste nicht schaltbare Diodenzellen 642a und zweite nicht schaltbare Diodenzellen 642b, wobei die elektrische Verbindung der ersten nicht schaltbaren Diodenzellen 642a zu der vorderseitigen Metallisierung 171 von der elektrischen Verbindung der zweiten nicht schaltbaren Diodenzellen 642b zu der vorderseitigen Metallisierung 171 verschieden ist. Beispielsweise können der Kontaktbereich zwischen der vorderseitigen Metallisierung 171 und den jeweiligen Bodygebieten der ersten nicht schaltbaren Diodenzellen 642a und der zweiten nicht schaltbaren Diodenzellen 642b innerhalb desselben nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142b unterschiedlich sein. Das ermöglicht das Optimieren des Verhaltens des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142b in Bezug auf sowohl die Emittereffizienz (kleiner Kontaktbereich) als auch die dynamische Lawine während der Abschaltkommutation (großer Kontaktbereich). Alternativ oder zusätzlich können Bodykontaktgebiete 115 selektiv gebildet sein.
  • Der Kontaktbereich zwischen der vorderseitigen Metallisierung 117 und den jeweiligen Bodygebieten 112 kann auch zwischen unterschiedlichen und voneinander beabstandeten nicht schaltbaren Freilaufdiodengebieten 1142a und 1142b variiert werden.
  • Wie auch in 14 dargestellt, ist gemäß einer Ausführungsform wenigstens ein Abschnitt eines ersten nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142a oberhalb des Emittergebiets 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats 100 gebildet ist, angeordnet, und wenigstens ein Abschnitt des oder das gesamte zweite(n) nicht schaltbare(n) Freilaufdiodengebiet(s) 1142b ist oberhalb des Emittergebiets 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp, das an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats 100 gebildet ist, angeordnet. Ein Abschnitt des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets kann oberhalb des Emittergebiets 114 vom p-Typ gebildet sein, oberhalb dessen auch das IGBT-Zellengebiet ausschließlich gebildet ist.
  • Die nicht schaltbaren Diodenzellen 642c des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets 1142a, die oberhalb des p-dotierten Emittergebiets 114 angeordnet sind, können mit einer hohen Emittereffizienz bereitgestellt sein, die höher sein kann als die Emittereffizienz nicht schaltbarer Diodenzellen 642a, 642 derselben oder anderer nicht schaltbarer Freilaufdiodengebiete 1142b, die oberhalb des n-dotierten Emittergebiets 116 angeordnet sind. Die gesteigerte Emittereffizienz ermöglicht Anpassung der Diodenkommutation nach Entsättigungsimpulsen. Entsättigungsimpulse werden während der vorstehend genannten Übergangsbetriebsart angelegt, wobei die leitenden Kanäle 151 für eine kurze Zeitspanne leitend gemacht werden.
  • Im Hinblick auf das Vorstehende enthält ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform ein Halbleitersubstrat 100, das eine erste Seite 101 und eine zweite Seite 102 aufweist; eine vorderseitige Metallisierung auf einer ersten Seite des Halbleitersubstrats 100; und eine rückseitige Metallisierung auf einer zweiten Seite des Halbleitersubstrats 100. Das Halbleiterbauelement enthält ferner wenigstens ein Emittergebiet 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das auf der zweiten Seite 102 des Halbleitersubstrats 100 gebildet ist, und wenigstens ein Emittergebiet 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp auf der zweiten Seite 102 des Halbleitersubstrats 100. Das Halbleiterbauelement kann optional mehrere IGBT-Zellen 141 enthalten, die in das Halbleitersubstrat 100 integriert sind und wenigstens ein IGBT-Zellengebiet bilden, wobei jede der IGBT-Zellen 141 ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet 151 zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet 113 des Halbleitersubstrats 100 umfasst, wobei alle IGBT-Zellen 141 oberhalb des Emittergebiets 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet sind. Das Halbleiterbauelement enthält mehrere nicht schaltbare Diodenzellen 142, die in das Halbleitersubstrat 100 integriert sind und ein oder mehrere nicht schaltbare Freilaufdiodengebiete bilden, wobei wenigstens ein Abschnitt des einen nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets oder wenigstens einige aus den mehreren nicht schaltbare Freilaufdiodengebieten oberhalb des Emittergebiets 114 vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist/sind und wobei wenigstens ein weiterer Abschnitt des einen nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets oder einige aus den mehreren nicht schaltbare Freilaufdiodengebieten oberhalb des Emittergebiets 116 vom ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist/sind.
  • Der Abschnitt des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets oberhalb des Emittergebiets vom zweiten Leitfähigkeitstyp, in der Ausführungsform von 14 das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142a oberhalb des p-dotierten Emittergebiets 114, trägt zu der Diodenkommutation nach der Entsättigung bei. Der Abschnitt des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets, der oberhalb des Emittergebiets vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist, kann mit einer höheren Emittereffizienz bereitgestellt sein als Abschnitte des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets oder andere nicht schaltbare Freilaufdiodengebiete, die oberhalb des Emittergebiets vom ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet sind. Die unterschiedliche Emittereffizienz kann beispielsweise durch Variation der Dotierungskonzentration der jeweiligen Bodygebiete 112 oder des Kontaktbereichs zwischen den jeweiligen Bodygebieten 112 und der vorderseitigen Metallisierung 117 angepasst sein, wie vorstehend beschrieben.
  • 14 stellt außerdem dar, dass die Scheinzelle 644 in das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet 1142a oder in irgendein anderes nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet, schaltbares Freilaufdiodengebiet oder IGBT-Zellengebiet integriert sein kann.
  • Die nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete und die schaltbaren Freilaufdiodengebiete oder ihre jeweiligen Diodenzellen unterscheiden sich nicht nur in der Weise, wie sie funktionieren, sondern können auch spezifisch angepasst sein, um für ihren Zweck optimiert zu sein.
  • Unter Berücksichtigung des vorstehenden Umfangs von Variationen und Anwendungen ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorstehende Beschreibung beschränkt ist noch durch die begleitenden Zeichnungen beschränkt ist. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre zulässigen Äquivalente beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Halbleitersubstrat
    101
    erste oder Hauptoberfläche oder Seite
    102
    zweite oder untere Oberfläche oder Seite
    111
    Sourcegebiet
    112
    Bodygebiet
    112a
    schwach dotiertes Bodygebiet der nicht schaltbaren Diodenzelle
    113
    Driftgebiet
    114
    Emittergebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp
    115
    Bodykontaktgebiet
    116
    Emittergebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp
    117
    Puffer oder Feldstoppschicht
    118
    n-Sperrschicht/Sperrschichtgebiet
    120
    Graben
    120a
    Graben
    121
    Gateelektrode
    122
    Gatedielektrikum
    125
    Mesagebiet
    127
    isolierender Graben
    131
    Feldelektrode
    141
    IGBT-Zelle
    142, 142a, 142b, 142c, 142d
    nicht schaltbare Diodenzelle
    143
    schaltbare Diodenzelle
    242, 342, 442,
    nicht schaltbare Diodenzelle
    442a, 442b, 442c
    nicht schaltbare Diodenzelle
    542a, 542b
    nicht schaltbare Diodenzelle
    151, 153
    schaltbares Kanalgebiet
    161
    isolierende Schicht
    162
    Zwischenschichtdielektrikum
    171
    vorderseitige Metallisierung
    172
    rückseitige Metallisierung
    173
    Gatemetallisierung
    190
    Maske
    201
    Kennlinie einer schaltbaren Zelle, wenn Gatespannung angelegt ist
    202
    Kennlinie einer schaltbaren Zelle, wenn keine Gatespannung angelegt ist/Kennlinie einer nicht schaltbaren Zelle
    642a
    erste nicht schaltbare Diodenzelle
    642b
    zweite nicht schaltbare Diodenzelle
    642c
    nicht schaltbare Diodenzelle mit hoher Emittereffizienz
    644
    Scheinzelle
    1141
    IGBT-Zellengebiet
    1142a, 1142b
    nicht schaltbares Freilaufdiodenzellengebiet
    1143
    schaltbares Freilaufdiodenzellengebiet
    2142
    erstes nicht schaltbares Freilaufdiodenzellengebiet
    2142a
    Flächenschwerpunkt des ersten nicht schaltbaren Freilaufdiodenzellengebiets
    3142
    zweites nicht schaltbares Freilaufdiodenzellengebiet
    G
    Gateanschluss
    E
    Emitteranschluss
    C
    Kollektoranschluss
    VCE
    Emitter-Kollektor-Spannung
    RD
    lateraler Widerstand des Driftgebiets
    VD
    Vorwärtsspannungsabfall
    ICE
    Emitter-Kollektor-Strom

Claims (33)

  1. Halbleiterbauelement, aufweisend: ein Halbleitersubstrat (100); eine vorderseitige Metallisierung (171); eine rückseitige Metallisierung (172); mehrere IGBT-Zellen (141), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein IGBT-Zellengebiet bilden, wobei jede der IGBT-Zellen (141) ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (151) zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet (113) des Halbleitersubstrats (100) aufweist; mehrere schaltbare Diodenzellen (143), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der schaltbaren Diodenzellen (143) einen pn-Übergang und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (153) zum Kurzschließen des pn-Übergangs der jeweiligen schaltbaren Diodenzelle (143) und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung über die jeweilige schaltbare Diodenzelle (143) zwischen der vorderseitigen Metallisierung und der rückseitigen Metallisierung aufweist; mehrere nicht schaltbare Diodenzellen (142), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der nicht schaltbaren Diodenzellen (143) einen pn-Übergang aufweist; wobei das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet kein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (151, 153) aufweist.
  2. Halbleiterbauelement, aufweisend: ein Halbleitersubstrat (100); eine vorderseitige Metallisierung; eine rückseitige Metallisierung; wenigstens ein IGBT-Zellengebiet, das in das Halbleitersubstrat (100) integriert ist und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (151) zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet (113) des Halbleitersubstrats (100) aufweist; wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet, das in das Halbleitersubstrat (100) integriert ist und einen pn-Übergang und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (153) zum Kurzschließen des pn-Übergangs und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung durch das schaltbare Freilaufdiodengebiet zwischen der vorderseitigen Metallisierung und der rückseitigen Metallisierung aufweist; wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet, das in das Halbleitersubstrat (100) integriert ist und einen pn-Übergang aufweist, wobei das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet einen Flächenschwerpunkt aufweist, wenn es in Normalprojektion auf die erste Oberfläche (101) betrachtet wird; wobei der Flächenschwerpunkt des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets von dem nächstgelegenen funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiet (153) durch einen Abstand von wenigstens 30 µm oder einen spezifischen Abstand pro Leitfähigkeit im Bereich von 300 µm·Ohm·cm bis 30000 µm·Ohm·cm beabstandet ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei der spezifischen Abstand pro Leitfähigkeit im Bereich von 1000 µm·Ohm·cm bis 10000 µm·Ohm·cm beträgt.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei der Flächenschwerpunkt des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets von dem nächstgelegenen funktionsfähigen schaltbaren Kanalgebiet (153) durch einen Abstand von mindestens 40 µm beabstandet ist.
  5. Halbleiterbauelement, aufweisend: ein Halbleitersubstrat (100); eine vorderseitige Metallisierung auf einer ersten Seite des Halbleitersubstrats (100); eine rückseitige Metallisierung auf einer zweiten Seite des Halbleitersubstrats (100); mehrere IGBT-Zellen (141), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein IGBT-Zellengebiet bilden, wobei jede der IGBT-Zellen (141) ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (151) zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet (113) des Halbleitersubstrats (100) aufweist; mehrere schaltbare Diodenzellen (143), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der schaltbaren Diodenzellen (143) einen pn-Übergang und ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (153) zum Kurzschließen des pn-Übergangs der jeweiligen schaltbaren Diodenzelle (143) und zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung durch die jeweilige schaltbare Diodenzelle (143) zwischen der vorderseitigen Metallisierung und der rückseitigen Metallisierung aufweist; mehrere nicht schaltbare Diodenzellen (142), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein nicht schaltbares Freilaufdiodengebiet bilden, wobei jede der nicht schaltbaren Diodenzellen (143) einen pn-Übergang aufweist; wobei kein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (151, 153) zwischen zwei beliebigen der nicht schaltbaren Diodenzellen (143) aus den mehreren nicht schaltbaren Diodenzellen (143) des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets angeordnet ist.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der schaltbaren Diodenzellen (143) und jede der IGBT-Zellen (141) Folgendes aufweist: ein Sourcegebiet (111) von einem ersten Leitfähigkeitstyp in ohmscher Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung (117), ein Driftgebiet (113) vom ersten Leitfähigkeitstyp, ein Bodygebiet (112) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, das zwischen dem Sourcegebiet (111) und dem Driftgebiet (113) angeordnet ist und jeweilige pn-Übergänge mit dem Sourcegebiet (111) und dem Driftgebiet (113) bildet, und eine Gateelektrode (121), die benachbart zu und elektrisch isoliert von dem Bodygebiet (112) angeordnet ist, um das jeweilige funktionsfähige schaltbare Kanalgebiet (151, 153) jeder der schaltbaren Diodenzellen (143) und der IGBT-Zellen (141) zu definieren, und wobei jede der nicht schaltbaren Diodenzellen (142) ein Driftgebiet (113) vom ersten Leitfähigkeitstyp und ein Bodygebiet (112) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das einen pn-Übergang mit dem Driftgebiet (113) bildet, aufweist, wobei das Bodygebiet (112) in ohmscher Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung (171) ist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, wobei wenigstens einige oder alle der nicht schaltbaren Diodenzellen (143) kein Sourcegebiet (111) von einem ersten Leitfähigkeitstyp in ohmscher Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung (117) aufweisen.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, wobei wenigstens einige oder alle der nicht schaltbaren Diodenzellen (143) keine Gateelektrode oder keine isolierte Gateelektrode aufweisen.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (100) wenigstens ein Emittergebiet (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das an der zweiten Seite oder zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats (100) gebildet ist, und wenigstens ein Emittergebiet (116) vom ersten Leitfähigkeitstyp an der zweiten Seite oder zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats (100) aufweist.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die nicht schaltbaren Diodenzellen (142) oder das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet oder die nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete oberhalb des Emittergebiets (116) vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet sind.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 oder 10, wobei jede der IGBT-Zellen (141) oder des IGBT-Zellengebiets oder der IGBT-Zellengebiete oberhalb des Emittergebiets (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet ist/sind.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die schaltbaren Diodenzellen (142) oder das schaltbare Freilaufdiodengebiet oder die schaltbaren Freilaufdiodengebiete oberhalb eines Bimodalgebiets gebildet ist/sind, das durch mehrere Emittergebiete (116) vom ersten Leitfähigkeitstyp und mehrere Emittergebiete (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet ist.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei wenigstens einige der nicht schaltbaren Diodenzellen (142) ein Bodykontaktgebiet (115) vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthalten, das in das Bodygebiet (112) eingebettet ist und ein höheres Dotierungsniveau als das Bodygebiet (112) aufweist, wobei das Bodykontaktgebiet (115) eine ohmsche Verbindung mit der vorderseitigen Metallisierung (171) bildet.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (100) mehrere Gräben (120) und mehrere Mesagebiete (125), die sich parallel zu den mehreren Gräben (120) erstrecken, aufweist, wobei ein jeweiliges aus den Mesagebieten (125) zwischen zwei benachbarten Gräben aus den mehreren Gräben (120) angeordnet und durch diese begrenzt ist, wobei jede der IGBT-Zellen (141), schaltbaren Diodenzellen (143) und nicht schaltbaren Diodenzellen (142) in einem jeweiligen Abschnitt eines Grabens (120) gebildet sind, und wobei das nicht schaltbare Zellengebiet (1142) wenigstens teilweise von dem IGBT-Zellengebiet (1141) und/oder von dem schaltbaren Freilaufdiodengebiet (1143) durch wenigstens einen isolierenden Graben (127) getrennt ist.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei das Bodygebiet (112) wenigstens einiger oder aller der nicht schaltbaren Diodenzellen (142) eine Dotierungskonzentration aufweist, die niedriger ist als die Dotierungskonzentration der Bodygebiete (112) der schaltbaren Diodenzellen (143).
  16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei wenigstens einige oder alle aus den nicht schaltbaren Diodenzellen (142) mit lebenszeitsteuernden Dotanden und/oder Kristalldefekten versehen sind, um die Lebenszeit von Ladungsträgern in der nicht schaltbaren Diodenzelle (142) im Vergleich zu der Lebenszeit von Ladungsträgern in den schaltbaren Diodenzellen (143) zu reduzieren.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 16, wobei wenigstens einige oder alle der nicht schaltbaren Diodenzellen (142) ein Sperrschichtgebiet (118) vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen, das zwischen dem Driftgebiet (113) und dem Bodygebiet (112) oder unterhalb des pn-Übergangs zwischen dem Driftgebiet (113) und dem Bodygebiet (112) der jeweiligen nicht schaltbaren Diodenzellen (142) angeordnet ist.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet (1142b) erste nicht schaltbare Diodenzellen (642a) und zweite nicht schaltbare Diodenzellen (642b) aufweist, wobei die elektrische Verbindung der ersten nicht schaltbaren Diodenzellen (642a) zu der vorderseitigen Metallisierung (171) von der elektrischen Verbindung der zweiten nicht schaltbaren Diodenzellen (642b) zu der vorderseitigen Metallisierung (171) verschieden ist.
  19. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (100) mehrere voneinander beabstandete nicht schaltbare Freilaufdiodengebiete (1142, 2142, 3142) aufweist, von denen jede mehrere nicht schaltbare Diodenzellen (142) aufweist, wobei die laterale Verteilung der nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete (1142, 2142, 3142) inhomogen ist.
  20. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich wenigstens zwei der nicht schaltbaren Diodenzellen (142) desselben nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets (1142) voneinander in wenigstens einem aus der Dotierungskonzentration des jeweiligen Bodygebiets (112) und der Konzentration von lebenszeitsteuernden Dotanden unterscheiden.
  21. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der nicht schaltbaren Diodenzellen (442b) des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets ein Sperrschichtgebiet (118, 118a) aufweist und wenigstens eine weitere der nicht schaltbaren Diodenzellen (442a, 442c) des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets kein Sperrschichtgebiet oder ein Sperrschichtgebiet (118b) mit einer unterschiedlichen Dotierungskonzentration aufweist.
  22. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 21, wobei wenigstens ein Abschnitt eines ersten nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets (1142a) oberhalb des Emittergebiets (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats (100) gebildet ist, angeordnet ist, und wenigstens ein Abschnitt des oder das gesamte zweite(n) nicht schaltbare(n) Freilaufdiodengebiet(s) (1142b) oberhalb des Emittergebiets (116) vom ersten Leitfähigkeitstyp, das an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats (100) gebildet ist, angeordnet ist.
  23. Halbleiterbauelement nach Anspruch 22, wobei jede der nicht schaltbaren Diodenzellen des ersten nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets eine höhere Emittereffizienz aufweist als jede der nicht schaltbaren Diodenzellen des zweiten nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets.
  24. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer Normalprojektion auf die zweite Seite des Halbleitersubstrats gesehen wenigstens 50 % des Bereichs, der durch das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet bedeckt ist, oberhalb des Emittergebiets oder der Emittergebiete (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, das/die an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats (100) gebildet ist/sind.
  25. Halbleiterbauelement nach Anspruch 24, wobei wenigstens 55 % des Bereichs, der durch das nicht schaltbare Freilaufdiodengebiet bedeckt ist, oberhalb des Emittergebiets oder der Emittergebiete (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, das/die an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats (100) gebildet ist/sind.
  26. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei in einer Normalprojektion auf die zweite Seite des Halbleitersubstrats gesehen wenigstens 50 % des Bereichs, der durch das Emittergebiet oder die Emittergebiete (116) vom ersten Leitfähigkeitstyp eingenommen ist, das/die an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats (100) gebildet ist/sind, durch das schaltbare Freilaufdiodengebiet und das IGBT-Zellengebiet bedeckt ist.
  27. Halbleiterbauelement nach Anspruch 26, wobei wenigstens 55 % des Bereichs, der durch das Emittergebiet oder die Emittergebiete (116) vom ersten Leitfähigkeitstyp eingenommen ist, das/die an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats (100) gebildet ist/sind, durch das schaltbare Freilaufdiodengebiet und das IGBT-Zellengebiet bedeckt ist.
  28. Halbleiterbauelement, aufweisend: ein Halbleitersubstrat (100), das eine erste Seite (101) und eine zweite Seite (102) aufweist; eine vorderseitige Metallisierung auf einer ersten Seite des Halbleitersubstrats (100); eine rückseitige Metallisierung auf einer zweiten Seite des Halbleitersubstrats (100); wenigstens ein Emittergebiet (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das an der zweiten Seite (102) des Halbleitersubstrats (100) gebildet ist, und wenigstens ein Emittergebiet (116) vom ersten Leitfähigkeitstyp an der zweiten Seite (102) des Halbleitersubstrats (100); mehrere IGBT-Zellen (141), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und wenigstens ein IGBT-Zellengebiet bilden, wobei jede der IGBT-Zellen (141) ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (151) zum Bereitstellen einer ohmschen Verbindung zwischen der vorderseitigen Metallisierung und einem Driftgebiet (113) des Halbleitersubstrats (100) aufweist, wobei alle IGBT-Zellen (141) oberhalb des Emittergebiets (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet sind; mehrere nicht schaltbare Diodenzellen (142), die in das Halbleitersubstrat (100) integriert sind und ein oder mehrere nicht schaltbare Freilaufdiodengebiete bilden; wobei wenigstens ein Abschnitt des nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets oder wenigstens einige der mehreren nicht schaltbaren Freilaufdiodengebieten oberhalb des Emittergebiets (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist/sind; und wobei wenigstens ein weiterer Abschnitt des einen nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets oder einige der mehreren nicht schaltbaren Freilaufdiodengebieten oberhalb des Emittergebiets (116) vom ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist/sind.
  29. Halbleiterbauelement nach Anspruch 28, wobei der Abschnitt des einen nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets oder die nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete, der/die oberhalb des Emittergebiets (114) vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist/sind, eine höhere Anodeneffizienz aufweist/aufweisen, als der weitere Abschnitt des einen nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiets oder die nicht schaltbaren Freilaufdiodengebiete, der/die oberhalb des Emittergebiets (116) vom ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist/sind.
  30. Verfahren zum Betreiben eines IGBT, aufweisend: Bereitstellen eines IGBT, der einen Gateanschluss, einen Emitteranschluss und einen Kollektoranschluss, und mehrere IGBT-Zellen (141), mehrere schaltbarer Diodenzellen (143) und mehrere nicht schaltbarer Diodenzellen (142) hat, die in ein Halbleitersubstrat (100) integriert sind, wobei jede der IGBT-Zellen (141) und der schaltbaren Diodenzellen (143) ein funktionsfähiges schaltbares Kanalgebiet (151) aufweist; Betreiben des IGBT in einer rückwärts leitenden Betriebsart, wobei die IGBT-Zellen (141) in der nicht leitenden Betriebsart sind und wobei die schaltbaren Diodenzellen (143) und die nicht schaltbaren Diodenzellen (142) in einer Bipolarbetriebsart sind; Bringen des IGBT aus der rückwärts leitenden Betriebsart in eine Übergangsbetriebsart, wobei wenigstens einige der nicht schaltbaren Diodenzellen (142) noch in der Bipolarbetriebsart sind, bei der die schaltbaren Diodenzellen (143) in einer Unipolarbetriebsart sind, durch Anlegen einer Gatespannung, die einen Absolutwert aufweist, der größer ist als eine Gateschwellenspannung, an den Gateanschluss, und bei der die IGBT-Zellen (141) in einer nicht leitenden Betriebsart sind.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, weiterhin aufweisend: Bringen des IGBT aus der Übergangsbetriebsart in eine vorwärts sperrende Betriebsart, bei der die nicht schaltbaren Diodenzellen (142), die schaltbaren Diodenzellen (143) und die IGBT-Zellen (141) in einer nicht leitenden Betriebsart sind, durch Anlegen einer Gatespannung, die einen Absolutwert aufweist, der kleiner ist als eine Gateschwellenspannung, an den Gateanschluss oder durch Anlegen keiner Gatespannung.
  32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, weiterhin aufweisend: Einprägen eines Rückwärtsstroms zwischen dem Kollektoranschluss und dem Emitteranschluss während der rückwärts leitenden Betriebsart und der Übergangsbetriebsart, so dass eine Rückwärtsspannung zwischen dem Kollektoranschluss und dem Emitteranschluss während der rückwärts leitenden Betriebsart und der Übergangsbetriebsart auftritt.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, weiterhin aufweisend: Anlegen einer Vorwärtsspannung, die ein zu der Rückwärtsspannung entgegengesetztes Vorzeichen aufweist, zwischen dem Kollektoranschluss und dem Emitteranschluss während der vorwärts sperrenden Betriebsart.
DE102015111371.6A 2015-07-14 2015-07-14 Halbleiterbauelement mit einem schaltbaren und einem nicht schaltbaren Diodengebiet Active DE102015111371B4 (de)

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