DE102016121912B4 - Halbleiterbauelemente und Verfahren zum Betreiben von Halbleiterbauelementen - Google Patents

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Abstract

Ein Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400), umfassend:eine Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate, wobei die Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ausgebildet ist, um einen Strom in einem Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements (100, 200-C, 400) zu leiten und einen Strom in einem Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements (100, 200-C, 400) zu sperren;eine Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolar-Transistorzellen mit isoliertem Gate, wobei die Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ausgebildet ist, um einen Strom sowohl in dem Vorwärts-Operationsmodus als auch in dem Rückwärts-Operationsmodus zu leiten;eine erste Emitterelektrode (104-1); undeine zweite Emitterelektrode (104-2), wobei die erste Emitterelektrode (104-1) elektrisch mit zumindest einer der Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate verbunden ist, und wobei die zweite Emitterelektrode (104-2) elektrisch mit zumindest einer der Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate verbunden ist, wobei die Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate die Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate lateral umgibt.

Description

  • Gebiet
  • Beispiele beziehen sich auf Halbleiterbauelemente umfassend Bipolartransistorstrukturen mit isolierendem Gate und auf Verfahren zum Betreiben dieser Halbleiterbauelemente.
  • Hintergrund
  • Über die letzten Jahre richtete sich wachsendes Interesse auf Leistungshalbleiterbauelemente. Zum Beispiel haben Fortschritte bei Batterien und Energiemanagmenent sowie der Bedarf, Treibhausgasemissionen zu reduzieren, Forschung, Entwicklung und Herstellung von Elektrofahrzeugen intensiviert, wie zum Beispiel von Elektroautos oder mit Elektrizität betriebenen Hochgeschwindigkeitszügen. Andere Anwendungen liegen auf dem Gebiet der Leistungs-Erzeugung, -Umwandlung und -Verteilung. Zum Beispiel können hoch effiziente Leistungshalbleiterbauelemente die Effizienz von elektrischen Generatoren erhöhen, die in Kraftwerken verwendet werden, können aber in kleinerer Abmessung auch Batteriewiederaufladezyklen von mobilen Geräten ausdehnen. Für diese und weitere Anwendungen werden hoch effiziente Halbleiterbauelemente mit geringen Verlusten gesucht. Ferner ist es beim Betreiben von Halbleiterbauelementen häufig erwünscht, ihren Betrieb zu überwachen, um sie zuverlässiger zu betreiben oder in der Lage zu sein, im Fall von Ausfällen Maßnahmen einzuleiten. Um auf den heutigen globalen Märkten wettbewerbsfähig zu sein ist es zusätzlich wichtig für Halbleiterhersteller, Herstellungs-Aufwand und-Kosten solcher Halbleiterbauelemente zu reduzieren.
  • Die Druckschriften US 2016 / 0 035 867 A1 , DE 10 2011 086 129 A1 , US 5 081 379 A , US 2016 / 0 233 788 A1 , DE 10 2015 102 129 A1 und „DOMES, D.; SCHWARZER, U.: IGBT-Module integrated Current and Temperature Sense Features based on Sigma-Delta Converter. In: PCIM 2009, Nürnberg, Germany (2009)“ beschreiben bekannte Halbleiterbauelemente.
  • Hier besteht ein Wunsch, die Effizienz von Halbleiterbauelementen und die Zuverlässigkeit ihres Betriebs zu verbessern, während der Herstellungsaufwand niedrig gehalten wird.
  • Zusammenfassung
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement, umfassend eine Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate. Die Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ist ausgebildet, um einen Strom in einem Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements zu leiten und einen Strom in einem Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements zu blockieren. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement eine Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolar-Transistorzellen mit isoliertem Gate. Die Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ist ausgebildet, um einen Strom sowohl in dem Vorwärts-Operationsmodus als auch Rückwärts-Operationsmodus zu leiten.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Bipolartransistorbauelement mit isoliertem Gate. Das Bipolartransistorbauelement mit isoliertem Gate umfasst eine erste Transistordotierungsregion eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine zweite Transistordotierungsregion eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Die erste Transistordotierungsregion und die zweite Transistordotierungsregion sind in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat des Bipolartransistorbauelements mit isoliertem Gate angeordnet. Ferner umfasst das Bipolartransistorbauelement mit isoliertem Gate eine Kollektorelektrode in Kontakt mit der ersten Transistordotierungsregion und der zweiten Transistordotierungsregion an einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats. Ein Kontaktbereich zwischen der Kollektorelektrode und der ersten Transistordotierungsregion ist größer als 70% eines Gesamtkontaktbereichs zwischen der Kollektorelektrode und der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren umfasst ein Koppeln eines Widerstands zwischen einer ersten Emitterelektrode und einer zweiten Emitterelektrode des Halbleiterbauelements. Die erste Emitterelektrode ist elektrisch verbunden mit einer Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate des Halbleiterbauelements. Die zweite Emitterelektrode ist elektrisch verbunden mit einer Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate des Halbleiterbauelements. Ferner umfasst das Verfahren das Leiten von zumindest einem Bruchteil eines Rückwärtsstroms des Halbleiterbauelements durch die Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate während eines Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements. Ferner umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer Spannung über den Widerstand während des Rückwärts-Operationsmodus. Ferner umfasst das Verfahren ein Herleiten einer Größe des Rückwärtsstroms basierend auf der Spannung über den Widerstand.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen
    • 1 eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelements umfassend eine Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate und eine Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate zeigt;
    • 2a einen schematischen Querschnitt einer vorwärts leitenden Bipolar-Transistorzelle mit isoliertem Gate zeigt;
    • 2b einen schematischen Querschnitt einer rückwärts leitenden Bipolar-Transistorzelle mit isoliertem Gate zeigt;
    • 2c einen schematischen Querschnitt eines Halbleiterbauelements umfassend eine Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate und eine Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate zeigt, die in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind;
    • 3a einen schematischen Querschnitt einer Anordnung einer vorwärts leitenden Bipolar-Transistorzelle mit isoliertem Gate und einer Diode zeigt, die parallel geschaltet sind;
    • 3b einen schematischen Querschnitt einer anderen rückwärts leitenden Bipolar-Transistorzelle mit isoliertem Gate mit angezeigten Stromrichtungen während einer Vorwärts- und einer Rückwärts-Operation zeigt;
    • 4 eine schematische Draufsicht eines Halbleiterbauelements zeigt;
    • 5 einen Teil eines schematischen Querschnitts eines Bipolartransistorbauelements mit isoliertem Gate zeigt;
    • 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Halbleiterbauelements zeigt;
    • 7a ein Schema einer Schaltung umfassend eine Halbleiterbauelement mit einer Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate und einer Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate sowie eine Schaltungsanordnung zum Überwachen von physikalischen Größen des Halbleiterbauelements zeigt;
    • 7b ein Halbleiterbauelement in einem Vorwärts-Operationsmodus innerhalb einer Schaltung zeigt, die zum Herleiten einer Größe eines Vorwärtsstroms des Halbleiterbauelements ausgebildet ist;
    • 7c ein Halbleiterbauelement in einem Rückwärts-Operationsmodus innerhalb einer Schaltung zeigt, die zum Herleiten einer Größe eines Rückwärtsstroms des Halbleiterbauelements ausgebildet ist;
    • 7dein Halbleiterbauelement in einem Rückwärts-Operationsmodus innerhalb einer Schaltung zeigt, die zum Herleiten einer Temperatur des Halbleiterbauelements ausgebildet ist;
    • 7e einen anderen schematischen Querschnitt eines Halbleiterbauelements zeigt;
    • 7f ein Halbleiterbauelement in einem Rückwärts-Operationsmodus innerhalb einer Schaltung zeigt, die auf alternative Weise zum Herleiten einer Temperatur des Halbleiterbauelements ausgebildet ist;
    • 7g ein Beispiel einer temperaturabhängigen Ausgangskennlinie einer pn-Diode darstellt; und
    • 8 eine einzelne Phase einer 3-phasigen sinus-modulierten Motor-Inverter-Anwendung zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
  • Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
  • Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente, verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“. Das Gleiche gilt für Kombinationen von mehr als 2 Elementen.
  • Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente und/oder Komponenten derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
  • Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung auf dem Gebiet verwendet, zu dem Beispiele gehören.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelements 100. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst eine Mehrzahl 110 von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate. Die Mehrzahl 110 von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ist ausgebildet, um einen Strom in einem Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements 100 zu leiten und einen Strom in einem Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements 100 zu blockieren. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement 100 eine Mehrzahl 120 von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate. Die Mehrzahl 120 von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ist ausgebildet, um einen Strom sowohl in dem Vorwärts-Operationsmodus als auch Rückwärts-Operationsmodus zu leiten.
  • Die Mehrzahl 110 von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate (FC-IGBT-Zellen; forward conducting insulated-gate bipolar transistor cells) kann zum Leiten eines Laststroms (oder eines Bruchteils eines Laststroms) des Halbleiterbauelements 100 während des Vorwärts-Operationsmodus eingesetzt werden. Die Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate (RC-IGBT-Zellen; reverse conducting insulated-gate bipolar transistor cells) kann für eine Messung von Überwachungsaufgaben des Halbleiterbauelements 100 eingesetzt werden. Da eine FC-IGBT-Zelle während des Vorwärts-Operationsmodus einen niedrigeren elektrischen Widerstandswert (z.B. einen niedrigeren Emitter-Kollektor-Widerstandswert) aufweisen kann als eine RC-IGBT-Zelle, kann ein Leiten des Laststroms (oder eines Bruchteils desselben) über die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen einen Gesamtverlust des Halbleiterbauelements 100 während des Vorwärts-Operationsmodus reduzieren, was wiederum die Effizienz des Halbleiterbauelements 100 verbessern kann. Da die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen einen Strom sowohl in dem Vorwärts-Operationsmodus als auch in dem Rückwärts-Operationsmodus leiten kann, kann die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen zum Bestimmen des Laststroms (oder eines Bruchteils desselben), der durch die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen fließt, während der Vorwärts-Operation und/oder zum Bestimmen einer Temperatur des Halbleiterbauelements 100 eingesetzt werden. Die Bestimmung der Temperatur des Halbleiterbauelements 100 kann zum Beispiel während des Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements 100 ausgeführt werden. Auf diese Weise kann das Halbleiterbauelement 100 bei hoher Effizienz arbeiten, während Mittel zum Überwachen physikalischer Größen des Halbleiterbauelements 100 bereitgestellt werden.
  • Zusätzlich kann die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen und die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen gleichzeitig während eines Herstellungsprozesses des Halbleiterbauelements 100 ohne Erhöhen des Herstellungsaufwands gebildet werden. Dies kann die Herstellungskosten des Halbleiterbauelements 100 reduzieren. Zum Beispiel kann aufgrund der Verwendung der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen zum Überwachen der Temperatur des Halbleiterbauelements 100 das Bereitstellen zusätzlicher Temperaturerfassungsdioden an dem Halbleiterbauelement 100 vermieden werden, was die Größe und Herstellungskosten des Halbleiterbauelements 100 erhöhen würde. Die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen kann weniger Raum in dem Halbleiterbauelement 100 und weniger zusätzliche Kontaktanschlussflächen erfordern als zusätzliche Temperaturerfassungsdioden.
  • Eine Gesamtanzahl von FC-IGBT-Zellen des Halbleiterbauelements 100 kann zumindest zwei Mal so groß sein (oder zumindest zehn Mal so groß, oder zumindest hundert Mal so groß, oder zumindest tausend Mal so groß, oder zumindest zehntausend Mal so groß) wie eine Gesamtanzahl von RC-IGBT-Zellen des Halbleiterbauelements 100. Auf diese Weise kann eine Mehrheit von FC-IGBT-Zellen zum Leiten des Laststroms (oder eines Bruchteils desselben) des Halbleiterbauelements 100 während des Vorwärts-Operationsmodus sein, sodass Verluste des Halbleiterbauelements 100 weiter verringert werden können. Das Bereitstellen einer Mehrheit von FC-IGBT-Zellen kann auch das Schalt- und Blockier-Verhalten des Halbleiterbauelements 100 verbessern. Da zum Überwachen der physikalischen Größen des Halbleiterbauelements 100 die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen bei niedrigeren Strömen arbeiten (z.B. weniger Strom leiten) kann als die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen, kann die Gesamtanzahl von RC-IGBT-Zellen niedriger sein als die Gesamtanzahl von FC-IGBT-Zellen. Zum Beispiel kann ein maximaler Strom, der durch die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen fließt, größer sein als 1 A (oder größer als 10 A oder größer als 100A), wohingegen ein maximaler Strom, der durch die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen fließt, kleiner sein kann als 1 A (oder kleiner als 500 mA, oder kleiner als 100 mA oder kleiner als 50 mA).
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen während des Vorwärts-Operationsmodus ausgebildet, um höchstens 30 % (oder höchstens 10 %, oder höchstens 1 %, oder höchstens 0,1, %, oder höchstens 0,01 %) eines Gesamtstroms durch das Halbleiterbauelement zu leiten. Zusätzlich kann die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen ausgebildet sein, um zumindest einen Bruchteil von 1/500000 (eins zu fünfhunderttausend) des Gesamtstroms durch das Halbleiterbauelement 100 während des Vorwärts-Operationsmodus zu leiten.
  • Die Größe des Stroms, der durch die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen fließt, kann proportional zu der Größe eines Stroms sein, der durch die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen fließt. Der Strom, der durch die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen fließt, kann größer sein als 70 % (oder größer als 90 %, oder größer als 99 %, oder größer als 99,90 %, oder größer als 99,99 %) des Gesamtstroms durch das Halbleiterbauelement 100 während des Vorwärts-Operationsmodus.
  • Die Größe des Stroms, der durch die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen fließt, kann dann gemessen werden (zum Beispiel über einen Spannungsabfall über einen externen Widerstand, der mit der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen verbunden ist) und kann mit einem entsprechenden (ersten) Koeffizienten einer Proportionalität multipliziert werden, um die Größe des Stroms zu messen, der durch die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen fließt, und/oder um die Größe des Gesamtstroms während des Vorwärts-Operationsmodus zu bestimmen. Der (erste) Koeffizient einer Proportionalität kann auf einem Verhältnis eines Bruchteils des Gesamtstroms, der durch die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen fließt, zu einem Bruchteil des Gesamtstroms, der durch die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen fließt, basieren. Dieses Verhältnis kann durch den Entwurf des Halbleiterbauelements 100 vorbestimmt sein. Um zum Beispiel einen größeren Bruchteil des Gesamtstroms durch die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen zu leiten, kann die Gesamtanzahl von FC-IGBT-Zellen entsprechend größer sein als die Gesamtanzahl von RC-IGBT-Zellen und/oder ein gesamter lateraler Bereich (z.B. ein lateraler Querschnittsbereich senkrecht zu dem Strom) der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen kann entsprechend größer sein als ein gesamter lateraler Bereich der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen.
  • Während des Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements 100 kann die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen ausgebildet sein, um höchstens 30 % (oder höchstens 10 %, oder höchstens 1 %, oder höchstens 0,1, %, oder höchstens 0,01 %) eines Gesamtstroms durch das Halbleiterbauelement 100 zu leiten. Ein zweiter (verbleibender) Bruchteil des Gesamtstroms (z.B. ein Bruchteil größer als 70% oder größer als 90% oder größer als 99% . oder größer als 99,90% oder größer als 99,99 % des Gesamtstroms) kann zum Beispiel durch eine Diode (z.B. eine Freilaufdiode) fließen, die in dem Halbleiterbauelement 100 umfasst ist. Diese Diode kann parallel zu der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen geschaltet sein. Ein erster Anschluss der Diode kann mit einer Emitterelektrode gekoppelt sein, die mit der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen gekoppelt ist, und ein zweiter Anschluss der Diode kann mit einer Kollektorelektrode des Halbleiterbauelements 100 gekoppelt sein.
  • Die Größe des Stroms durch die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen kann gemessen werden (zum Beispiel über einen Spannungsabfall über einen externen Widerstand, der mit der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen verbunden ist) und kann mit einem entsprechenden (zweiten) Koeffizienten einer Proportionalität multipliziert werden, um die Größe des Stroms zu bestimmen, der durch die Diode fließt, und/oder um den Gesamtstrom während des Rückwärts-Operationsmodus zu bestimmen. Der (zweite) Koeffizient der Proportionalität kann auf einem Verhältnis des Bruchteils des Gesamtstroms, der durch die Diode fließt, zu dem Bruchteil des Gesamtstroms, der durch die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen fließt, während des Rückwärts-Operationsmodus basieren. Dieses Verhältnis kann durch den Entwurf des Halbleiterbauelements 100 vorbestimmt sein. Zum Beispiel, um einen grö-ßeren Bruchteil des Gesamtstroms durch die Diode zu leiten, kann ein gesamter lateraler Bereich der Diode entsprechend größer sein als der gesamte laterale Bereich der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen.
  • Alternativ zu der Diode zum Leiten des zweiten (verbleibenden) Bruchteils des Gesamtstroms durch das Halbleiterbauelement 100 während des Rückwärts-Operationsmodus umfasst das Halbleiterbauelement 100 ein zusätzliches Transistorelement und/oder ein zusätzliches Thyristorelement, die parallel zu der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen geschaltet sind und ausgebildet sind, um Strom während des Rückwärts-Operationsmodus zu leiten und Strom während des Vorwärts-Operationsmodus zu blockieren.
  • Das Halbleiterbauelement 100 (z.B. ein Bipolartransistorbauelement mit isoliertem Gate; IGBT-Bauelement) kann eine Mehrzahl von sich wiederholenden Strukturen aufweisen, die lateral benachbart zueinander innerhalb eines Halbleitersubstrats des Halbleiterbauelements 100 angeordnet sind. Die kleinste Einheit der sich wiederholenden Strukturen kann als eine Zelle des Halbleiterbauelements 100 bezeichnet werden (z.B. eine FC-IGBT-Zelle oder eine RC-IGBT-Zelle). Eine solche Zelle kann selbst die Funktionalität eines Transistors aufweisen, zum Beispiel eines vorwärts leitenden (FC) IGBT oder eines rückwärts leitenden (RC) IGBT.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung (z.B. gemäß dem Halbleiterbauelement 100) kann sich eine FC-IGBT-Zelle und/oder eine RC-IGBT-Zelle von einer Vorderseitenoberfläche des Halbleitersubstrats des Halbleiterbauelements 100 zu einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats erstrecken. Ferner können eine FC-IGBT-Zelle und eine RC-IGBT-Zelle unterschiedliche Teile von Dotierungsregionen und/oder unterschiedliche Dotierungsregionen des Halbleitersubstrats aufweisen. Zum Beispiel können eine FC-IGBT-Zelle und eine RC-IGBT-Zelle einen Teil einer Kollektor-Dotierungsregion eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Teil einer Emitter-Dotierungsregion (oder zumindest eine Emitter-Dotierungsregion) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einen Teil einer Body-Dotierungsregion des ersten Leitfähigkeitstyps und einen Teil einer Drift-Dotierungsregion des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen. Ferner können eine FC-IGBT-Zelle und eine RC-IGBT-Zelle eine Gate-Elektrode (oder einen Teil einer Gate-Elektrode) zum Steuern eines Stromflusses durch die FC-IGBT-Zelle und/oder die RC-IGBT-Zelle aufweisen.
  • Hierin kann eine Dotierungsregion als ein durchgehender Teil des Halbleitersubstrats verstanden werden, in dem der Leitfähigkeitstyp gleich bleibt. Eine Dotierungskonzentration kann jedoch innerhalb einer Dotierungsregion variieren. Zum Beispiel kann die Drift-Dotierungsregion einen Driftabschnitt aufweisen, der eine niedrigere Dotierungskonzentration aufweisen kann als ein Feldstoppabschnitt der Drift-Dotierungsregion. Ferner kann eine Dotierungsregion durch Dotierungsregionen eines entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und/oder durch andere Materialien begrenzt sein, wie beispielsweise Metalle, Isoliermaterial, Polysilizium, Formmaterial oder Luft, zum Beispiel.
  • Der Teil der Emitter-Dotierungsregion (oder der Emitter-Dotierungsregion) einer FC-IGBT-Zelle und/oder einer RC-IGBT-Zelle kann durch eine Emitterelektrode des Halbleiterbauelements 100 kontaktiert werden. Zum Beispiel kann das Halbleiterbauelement 100 eine erste Emitterelektrode und eine zweite Emitterelektrode aufweisen. Die erste Emitterelektrode kann mit zumindest einer der Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate elektrisch verbunden sein (z.B. mit einem Teil einer Emitter-Dotierungsregion oder einer Emitter-Dotierungsregion von zumindest einer FC-IGBT-Zelle). Die zweite Emitterelektrode kann mit zumindest einer der Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate elektrisch verbunden sein (z.B. mit einem Teil einer Emitter-Dotierungsregion oder einer Emitter-Dotierungsregion von zumindest einer RC-IGBT-Zelle). Die erste Emitterelektrode kann elektrisch von der zweiten Emitterelektrode isoliert sein. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen elektrisch mit der ersten Emitterelektrode verbunden und die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen ist elektrisch mit der zweiten Emitterelektrode verbunden.
  • Durch Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Emitterelektrode kann ein Emitterstrom einer FC-IGBT-Zelle (oder der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen) von einem Emitterstrom einer RC-IGBT-Zelle (oder der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen) unterschieden und/oder getrennt werden. Zum Beispiel kann der Emitterstrom der FC-IGBT-Zelle (oder der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen) zu einer Last des Halbleiterbauelements 100 fließen und der Emitterstrom der RC-IGBT-Zelle (oder der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen) kann zum Messen (z.B. Herleiten) physikalischer Größen des Halbleiterbauelements 100 verwendet werden, wie z.B. der Temperatur des Halbleiterbauelements 100 oder des Stroms der FC-IGBT-Zelle(n).
  • Zusätzlich kann die zweite Emitterelektrode mit zumindest einer zusätzlichen FC-IGBT-Zelle verbunden sein, die nicht mit der ersten Emitterelektrode verbunden ist. Zusätzliche FC-IGBT-Zellen, die mit der zweiten Emitterelektrode verbunden sind, können Verluste während des Vorwärts-Operationsmodus reduzieren und/oder Nebensprechen zwischen den FC-IGBT-Zellen, die mit der ersten Emitterelektrode verbunden sind, und den RC-IGBT-Zellen, die mit der zweiten Emitterelektrode verbunden sind, während des Rückwärts-Operationsmodus reduzieren. Zum Beispiel können die zusätzlichen FC-IGBT-Zelle(n), die mit der zweiten Emitterelektrode verbunden sind, lateral zwischen den FC-IGBT-Zellen, die mit der ersten Emitterelektrode verbunden sind, und den RC-IGBT-Zellen, die mit der zweiten Emitterelektrode verbunden sind, angeordnet sein.
  • Die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen und die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen können in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat des Halbleiterbauelements 100 angeordnet sein. Dies kann die Größe des Halbleiterbauelements 100 reduzieren und/oder kann Messungen und/oder das Herleiten physikalischer Größen des Halbleiterbauelements 100 ermöglichen und/oder kann die Genauigkeit dieser Messungen und/oder Herleitungen verbessern. Wenn zum Beispiel die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen verwendet wird, um eine Temperatur des Halbleiterbauelements 100 zu messen, kann ein Messstrom von den RC-IGBT-Zellen zu den FC-IGBT-Zellen (oder umgekehrt) innerhalb des Halbleitersubstrats des Halbleiterbauelements 100 fließen und kann verwendet werden, um eine Temperatur des Halbleiterbauelements 100 herzuleiten.
  • Zusätzlich kann die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen lateral umgeben. Wenn zumindest die RC-IGBT-Zellen verwendet werden, um eine Temperatur des Halbleiterbauelements 100 herzuleiten, kann dies die Genauigkeit der Temperaturmessungen weiter verbessern, da die Temperatur an einem Innenteil des Halbleitersubstrats im Allgemeinen höher ist als an einem Rand des Halbleitersubstrats. Bei einer Anwendung ist man häufig an der höchsten Temperatur interessiert, die in einem Halbleiterbauelement auftritt. Zu diesem Zweck kann die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen an einer geometrischen Mitte (oder nahe der geometrischen Mitte) des Halbleitersubstrats angeordnet sein, während sie lateral von der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen umgeben sind.
  • Alternativ kann die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen an einem Rand des Halbleitersubstrats angeordnet sein (z.B. kann eine minimale Distanz von der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen zu einem Rand des Halbleitersubstrats weniger sein als 5 % einer maximalen lateralen Erstreckung des Halbleitersubstrats). An dem Rand des Halbleitersubstrats können RC-IGBT-Zellen lateral benachbart zueinander angeordnet sein. In Richtung eines verbleibenden Teils des Halbleitersubstrats außerhalb der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen kann die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen lateral benachbart zu der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen sein. Anders ausgedrückt kann die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen lateral benachbart zu einem Rand des Halbleitersubstrats und zu der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen sein.
  • Für Zwischenverbindungen zur externen Schaltungsanordnung kann eine erste Emitter-Anschlussfläche vertikal über der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen auf einer oberen Metallisierungsschicht eines Verdrahtungsschichtstapels des Halbleiterbauelements 100 angeordnet sein und kann mit der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen über die erste Emitterelektrode verbunden sein. Da die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen an einem Rand des Halbleitersubstrats angeordnet sein kann, kann eine zweite Emitter-Anschlussfläche vertikal über der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen auf der oberen Metallisierungsschicht und an einem Rand der oberen Metallisierungsschicht angeordnet sein. Dies kann ein Verbinden der ersten Emitter-Anschlussfläche mit einer externen elektrischen Schaltungsanordnung durch Löten (z.B. vollflächiges Löten) und nicht durch Bonden ermöglichen. Zum Beispiel kann eine streifenförmige Anschlussleitung an die erste Emitter-Anschlussfläche gelötet werden. Eine solche Anschlussleitung kann einen niedrigeren elektrischen Widerstandswert bereitstellen als ein Bonddraht oder eine Mehrzahl von Bonddrähten, derart, dass Verluste beim Betreiben des Halbleiterbauelements verringert werden können.
  • Eine FC-IGBT-Zelle ist ausgebildet, um einen Strom in einer vertikalen Richtung durch das Halbleitersubstrat während des Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements 100 zu leiten und ist ausgebildet, um einen Strom, der in vertikaler Richtung durch das Halbleitersubstrat fließt (z.B. durch die FC-IGBT-Zelle), während des Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements 100 zu blockieren. Eine RC-IGBT-Zelle ist ausgebildet, um einen Strom in einer vertikalen Richtung durch das Halbleitersubstrat zu leiten, sowohl während des Vorwärts-Operationsmodus als auch während des Rückwärts-Operationsmodus.
  • Zu diesem Zweck kann das Halbleitersubstrat des Halbleiterbauelements 100 eine Kollektor-Dotierungsregion des ersten Leitfähigkeitstyps und eine Drift-Dotierungsregion des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen. Innerhalb einer FC-IGBT-Zelle kann die Kollektor-Dotierungsregion die Drift-Dotierungsregion von einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats trennen. Innerhalb einer RC-IGBT-Zelle kann die Drift-Dotierungsregion sich vertikal zu der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats erstrecken. Eine Kollektorelektrode des Halbleiterbauelements 100 kann an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sein. An der Rückseitenoberfläche kann die Kollektorelektrode sowohl die FC-IGBT-Zelle als auch die RC-IGBT-Zelle kontaktieren. Genauer gesagt, betreffend die FC-IGBT-Zelle, kann die Kollektorelektrode in Kontakt mit dem Teil der Kollektor-Dotierungsregion sein, der in der FC-IGBT-Zelle angeordnet ist, und ist nicht in Kontakt mit dem Teil der Drift-Dotierungsregion, der in der FC-IGBT-Zelle angeordnet ist. Betreffend die RC-IGBT-Zelle kann die Kollektorelektrode in Kontakt mit dem Teil der Kollektor-Dotierungsregion sein, der in der RC-IGBT-Zelle angeordnet ist, sowie mit dem Teil der Drift-Dotierungsregion, der in der RC-IGBT-Zelle angeordnet ist.
  • In dem Rückwärts-Operationsmodus kann ein pn-Übergang, der zwischen der Kollektor-Dotierungsregion und der Drift-Dotierungsregion existiert, in Rückwärtsrichtung vorgespannt (oder nicht vorgespannt) sein. Da die Kollektor-Dotierungsregion die Drift-Dotierungsregion innerhalb einer FC-IGBT-Zelle von der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats trennt, kann der pn-Übergang einen Strom des Halbleiterbauelements 100 (z.B. einen Emitter-Kollektor-Strom oder einen Bruchteil desselben) blockieren, um nicht zwischen der Kollektorelektrode und der (ersten) Emitterelektrode durch die FC-IGBT-Zelle während des Rückwärts-Operationsmodus zu fließen. Da die Kollektorelektrode in Kontakt mit der Drift-Dotierungsregion an einem Teil der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats ist, der in einer RC-IGBT-Zelle angeordnet ist, kann der Emitter-Kollektor-Strom (oder ein Bruchteil desselben) durch die RC-IGBT-Zelle während des Rückwärts-Operationsmodus fließen. Dies kann möglich sein, da innerhalb der RC-IGBT-Zelle der Emitter-Kollektor-Strom (oder der Bruchteil desselben) möglicherweise den pn-Übergang nicht kreuzen muss, der zwischen der Kollektor-Dotierungsregion und der Drift-Dotierungsregion existiert. Somit kann während des Rückwärts-Operationsmodus der Emitter-Kollektor-Strom (oder der Bruchteil desselben) zwischen der Kollektorelektrode und der (zweiten) Emitterelektrode durch die RC-IGBT-Zelle fließen.
  • Während des Vorwärts-Operationsmodus kann der pn-Übergang zwischen der Kollektor-Dotierungsregion und der Drift-Dotierungsregion in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein, derart, dass der Emitter-Kollektor-Strom (oder ein Bruchteil desselben) durch eine FC-IGBT-Zelle (sowie durch eine RC-IGBT-Zelle) fließen kann.
  • 2a zeigt einen schematischen Querschnitt einer FC-IGBT-Zelle 200-A. Die FC-IGBT-Zelle 200-A stellt ein Beispiel für eine vorwärts leitende IGBT-Zelle des Halbleiterbauelements 100 dar, erklärt in dem Kontext von 1. Beispiele sind jedoch nicht auf die FC-IGBT-Zelle 200-A aus 2a beschränkt. Verschiedene Implementierungen von FC-IGBT-Zellen sind möglich.
  • Die FC-IGBT-Zelle 200-A erstreckt sich von einer Vorderseitenoberfläche eines Halbleitersubstrats 102 zu einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102. Die FC-IGBT-Zelle 200-A umfasst einen Teil einer Kollektor-Dotierungsregion 134 des ersten Leitfähigkeitstyps. Eine Kollektorelektrode 132 ist vertikal benachbart zu der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 angeordnet und kontaktiert den Teil der Kollektor-Dotierungsregion 134, der in der FC-IGBT-Zelle 200-A umfasst ist. Ferner umfasst die FC-IGBT-Zelle 200-A einen Teil einer Drift-Dotierungsregion 122 des zweiten Leitfähigkeitstyps. Innerhalb der FC-IGBT-Zelle 200-A (oder innerhalb jeder der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen von zumindest einigen Ausführungsbeispielen dieser Offenbarung) ist die Kollektor-Dotierungsregion 134 vertikal zwischen der Drift-Dotierungsregion 122 und der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 so angeordnet, dass sich innerhalb der FC-IGBT-Zelle 200-A die Drift-Dotierungsregion 122 nicht zu der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 erstreckt. Somit kann während eines Rückwärts-Operationsmodus eines Halbleiterbauelements (z.B. des Halbleiterbauelements 100 aus 1), das die FC-IGBT-Zelle 200-A umfasst, die FC-IGBT-Zelle einen Strom dahingehend zu blockieren, durch dieselbe zu fließen.
  • Zum Beispiel kann innerhalb der FC-IGBT-Zelle 200-A (oder innerhalb jeder der Mehrzahl von IGBT-Zellen von zumindest einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung) eine minimale vertikale Distanz von der Drift-Dotierungsregion zu der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats und/oder zu der Kollektorelektrode größer sein als 100 nm (oder größer als 500 nm, oder größer als 2 µm oder größer als 5 µm).
  • Wie durch die unterschiedlichen Schattierungen der Drift-Dotierungsregion 122 angezeigt wird, kann die Drift-Dotierungsregion 122 einen stärker dotierten Teil aufweisen (z.B. eine Feldstoppschicht und/oder eine Puffer-Schicht), wie in 2a durch den schattierten Teil der Drift-Dotierungsregion 122 angezeigt wird, der an einer Schnittstelle mit der Kollektor-Dotierungsregion 134 angeordnet ist. Ferner kann die Drift-Dotierungsregion 122 einen schwächer dotierten Teil (z.B. einen Drift-Teil) aufweisen, wie in 2a durch den hellen Teil der Drift-Dotierungsregion 122 dargestellt ist, der vertikal über dem schatteirten Teil der Drift-Dotierungsregion 122 angeordnet ist.
  • Ferner umfasst die exemplarische FC-IGBT-Zelle 200-A einen Teil einer ersten Body-Dotierungsregion 116-1 und einen Teil einer zweiten Body-Dotierungsregion 116-2 des Halbleitersubstrats 102. Der Teil der ersten und der Teil der zweiten Body-Dotierungsregion 116-1, 116-2 kann von dem ersten Leitfähigkeitstyp sein. Der Teil der ersten Body-Dotierungsregion 116-1 ist vertikal zwischen einer ersten Emitter-Dotierungsregion 108-1 der FC-IGBT-Zelle 200-A und dem Teil der Drift-Dotierungsregion 122 der FC-IGBT-Zelle 200-A angeordnet. Der Teil der zweiten Body-Dotierungsregion 116-2 ist vertikal zwischen einer zweiten Emitter-Dotierungsregion 108-2 der FC-IGBT-Zelle 200-A und dem Teil der Drift-Dotierungsregion 122 der FC-IGBT-Zelle 200-A angeordnet. Die erste und die zweite Emitter-Dotierungsregion 108-1, 108-2 können von dem zweiten Leitfähigkeitstyp sein.
  • Zusätzlich umfasst die FC-IGBT-Zelle 200-A zumindest einen Teil einer Gate-Elektrode 112. Der Teil der Gate-Elektrode 112 umfasst zwei Gate-Platten, die sich vertikal in das Halbleitersubstrat 102 erstrecken und von dem Halbleitersubstrat 102 durch Isoliermaterial 114 isoliert sind. Eine der Gate-Platten ist lateral benachbart zu der ersten Emitter-Dotierungsregion 108-1 und dem Teil der ersten Body-Dotierungsregion 116-1 angeordnet. Die andere der Gate-Platten ist lateral benachbart zu der zweiten Emitter-Dotierungsregion 108-2 und dem Teil der zweiten Body-Dotierungsregion 116-2 angeordnet. Während eines Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements kann ein pn-Übergang zwischen der ersten Body-Dotierungsregion 116-1 und der Drift-Dotierungsregion 122 sowie ein pn-Übergang zwischen der zweiten Body-Dotierungsregion 116-2 und der Drift-Dotierungsregion 122 in Rückwärtsrichtung vorgespannt sein. Das Anlegen einer Gate-Spannung größer als eine Schwellenspannung des Halbleiterbauelements an die Gate-Elektrode 112 kann jedoch einen leitfähigen Kanal innerhalb des Teils der ersten Body-Dotierungsregion 116-1 und des Teils der zweiten 116-2 so induzieren, dass ein Strom (z.B. ein Emitter-Kollektor-Strom oder Vorwärtsstrom des Halbleiterbauelements oder ein Bruchteil desselben) durch die FC-IGBT-Zelle zwischen der Kollektorelektrode 132 und einer (ersten) Emitterelektrode 104 des Halbleiterbauelements fließen kann. Die (erste) Emitterelektrode 104 kontaktiert die FC-IGBT-Zelle an einer Vorderseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 und ist in Kontakt mit der ersten Emitter-Dotierungsregion 108-1 und dem Teil der ersten Body-Dotierungsregion 116-1 sowie mit der zweiten EmitterDotierungsregion 108-2 und dem Teil der zweiten Body-Dotierungsregion 116-2.
  • Innerhalb eines gemeinsamen Halbleitersubstrats können eine benachbarte FC-IGBT-Zelle und/oder eine benachbarte RC-IGBT-Zelle lateral benachbart zu der FC-IGBT-Zelle 200-A einen anderen Teil der Kollektor-Dotierungsregion lateral benachbart zu dem Teil der Kollektor-Dotierungsregion 134 aufweisen, der in der FC-IGBT-Zelle 200-A umfasst ist. Ferner können die benachbarte FC-IGBT-Zelle und/oder die benachbarte RC-IGBT-Zelle einen anderen Teil der Drift-Dotierungsregion 122 lateral benachbart zu dem Teil der Drift-Dotierungsregion 122 aufweisen, der in der FC-IGBT-Zelle 200-A umfasst ist. Ferner kann die benachbarte FC-IGBT-Zelle und/oder die benachbarte RC-IGBT-Zelle einen anderen Teil der ersten Body-Dotierungsregion 116-1 (oder der zweiten Body-Dotierungsregion 116-2) lateral benachbart zu dem Teil der ersten Body-Dotierungsregion 116-1 (und/oder der zweiten Body-Dotierungsregion 116-2) aufweisen, der in der FC-IGBT-Zelle 200-A umfasst ist.
  • 2b zeigt einen schematischen Querschnitt einer RC-IGBT-Zelle 200-B. Die RC-IGBT-Zelle 200-B stellt ein Beispiel für eine rückwärts leitende IGBT-Zelle des Halbleiterbauelements 100 dar, erklärt in dem Kontext von 1. Beispiele sind jedoch nicht auf die RC-IGBT-Zelle 200-B aus 2b beschränkt. Verschiedene Implementierungen von RC-IGBT-Zellen sind möglich.
  • Die RC-IGBT-Zelle 200-B kann in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 102 zusammen mit der FC-IGBT-Zelle 200-A von 2a angeordnet sein. Im Vergleich zu der FC-IGBT-Zelle 200A umfasst die RC-IGBT-Zelle 200-B einen Teil der Drift-Dotierungsregion 122 des Halbleitersubstrats 102, der sich zu der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 erstreckt. An der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 ist der Teil der Drift-Dotierungsregion 122 der RC-IGBT-Zelle 200-B in Kontakt mit der Kollektorelektrode 132. Eine Dotierungskonzentration der Drift-Dotierungsregion 122 kann an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 maximal sein, wie durch die dunklen Schattierungen 124 der Drift-Dotierungsregion 122 in 2b angezeigt ist. Innerhalb der RC-IGBT-Zelle 200-B ist die Drift-Dotierungsregion 122 in Kontakt mit der Kollektorelektrode 132 an zwei unterschiedlichen Schnittstellenbereichen, die durch einen Abschnitt der Kollektor-Dotierungsregion 134 getrennt sind. Alternativ kann der Teil der Drift-Dotierungsregion 122 einer RC-IGBT-Zelle in Kontakt mit der Kollektorelektrode 132 an nur einem Schnittstellenbereich oder an mehreren Schnittstellenbereichen (z.B. mehr als zwei Schnittstellenbereichen) sein. Anders ausgedrückt erstrecken sich innerhalb der RC-IGBT-Zelle 200-B (z.B. innerhalb der zumindest einen RC-IGBT-Zelle von zumindest einigen Ausführungsbeispielen dieser Offenbarung) die Kollektor-Dotierungsregion 134 und die Drift-Dotierungsregion 124 lateral an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102. Zusätzlich kann innerhalb der RC-IGBT-Zelle 200-B die Kollektor-Dotierungsregion 134 die Drift-Dotierungsregion 122 an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 lateral derart umgeben, dass sich an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 die Drift-Dotierungsregion nicht zu den lateralen Grenzen der RC-IGBT-Zelle 200-B erstreckt. Dies kann das Nebensprechen zwischen RC-IGBT-Zellen und FC-IGBT-Zellen reduzieren, die in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind.
  • Zur weiteren Darstellung, wie Nebensprechen reduziert werden kann, zeigt 2c einen schematischen Querschnitt eines Halbleiterbauelements 200-C umfassend eine Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen und eine Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen, die in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 102 des Halbleiterbauelements 200-C angeordnet sind. Für eine vereinfachte Darstellung sind Body-Dotierungsregionen und Emitter-Dotierungsregionen des Halbleitersubstrats 102 nicht in 2c gezeigt. Die individuellen Zellen der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen und der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen sind durch schematische Symbole von Feldeffekttransistoren angezeigt.
  • Die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen wird durch eine erste Emitterelektrode 104-1 kontaktiert und die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen wird durch eine zweite Emitterelektrode 104-2 kontaktiert. Bei einer Anwendung kann die erste Emitterelektrode 104-1 mit einer Lastquelle verbunden sein, die zweite Emitterelektrode 104-2 kann mit einer Stromerfassungsquelle verbunden sein. Ferner ist bei dem Beispiel des Halbleiterbauelements 200-C die Drift-Dotierungsregion 122 n-dotiert und die Kollektor-Dotierungsregion 134 ist p-dotiert. Während eines Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements 200-C kann ein Elektronenstrom 281 innerhalb jeder FC-IGBT-Zelle von der ersten Emitterelektrode 104-1 in den Teil der Drift-Dotierungsregion 122 fließen, der in der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen umfasst ist. Um ein Nebensprechen zwischen der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen und der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen zu verhindern, ist es erwünscht, dass dieser Elektronenstrom 281 in den Teil der Kollektor-Dotierungsregion 134 fließt, der in der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen umfasst ist. Ein entsprechender Löcherstrom 282 kann dann aus dem Teil der Kollektor-Dotierungsregion 134, der in der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen umfasst ist, in den Teil der Drift-Dotierungsregion 122 injiziert werden, der in der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen umfasst ist.
  • Um zu verhindern, dass der Elektronenstrom 281 über den Teil der Drift-Dotierungsregion 122, der in der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen enthalten ist, zu der Kollektorelektrode fließt (was Nebensprechen zwischen den FC-IGBT-Zellen und RC-IGBT-Zellen verursacht), kann der Schnittstellenbereich zwischen der Drift-Dotierungsregion 122 und einer Kollektorelektrode (in 2c nicht gezeigt) des Halbleiterbauelements 200-C lateral ausreichend entfernt von der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen angeordnet sein.
  • Zu diesem Zweck, gemäß zumindest einigen Ausführungsbeispielen dieser Offenbarung, kann eine minimale laterale Distanz entlang der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 von jeder der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen zu einem Abschnitt der Drift-Dotierungsregion 122, der an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 angeordnet ist, größer sein als 1 µm (oder größer als 2 µm, oder größer als 5 µm, oder größer als 10 µm). Auf diese Weise kann ein Nebensprechen zwischen RC-IGBT-Zellen und FC-IGBT-Zellen während des Vorwärts- (und/oder des Rückwärts-) Operationsmodus des Halbleiterbauelements reduziert und/oder vermieden werden.
  • Anders ausgedrückt kann für den Entwurf (des Halbleiterbauelements 200-C) eine Öffnung des p-Kollektors (z.B. ein Teil der Kollektor-Dotierungsregion 134, der in der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen umfasst ist) unter der Stromerfassungs-Anschlussfläche (z.B. der zweiten Emitterelektrode 104-2) klein genug sein, um ein Nebensprechen zu verhindern. Zu diesem Zweck kann es wünschenswert sein, die Erhitzung/Zündung des Substrat-p-Kollektors auch für die Lastzellen (z.B. FC-IGBT-Zellen) benachbart zu den Stromerfassungszellen (z.B. RC-IGBT-Zellen) sicherzustellen.
  • Für eine Reduzierung des Nebensprechens und/oder da die Gesamtanzahl von FC-IGBT-Zellen höher sein kann als die Gesamtanzahl von RC-IGBT-Zellen eines Halbleiterbauelements (z.B. des Halbleiterbauelements 100 aus 1) kann die Drift-Dotierungsregion 122 weniger als 30 % (oder weniger als 10 %, oder weniger als 1 %, oder weniger als 0,10 % oder weniger als 0,01 %) der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 belegen.
  • Eine einzelne IGBT-Zelle, zum Beispiel die RC-IGBT-Zelle 200-B, kann ein Mittel zum Leiten eines Stroms vertikal durch ein Halbleitersubstrat während eines Vorwärts- und eines Rückwärts-Operationsmodus und zum Blockieren eines Stroms dahingehend aufweisen, während eines Blockier-Operationsmodus eines Halbleiterbauelements, das die RC-IGBT-Zelle umfasst, vertikal durch das Halbleitersubstrat zu fließen. Gemäß zumindest einigen Ausführungsbeispielen jedoch kann die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen insgesamt ausgebildet sein, um einen Strom vertikal durch das Halbleitersubstrat 102 zu leiten, sowohl während des Vorwärts- als auch Rückwärts-Operationsmodus, und um zu blockieren, dass ein Strom während des Blockier-Operationsmodus des Halbleiterbauelements vertikal durch das Halbleitersubstrat 102 fließt.
  • Zum Beispiel ist die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen des Halbleiterbauelements 200-C mit einer zweiten Emitterelektrode 104-2 des Halbleiterbauelements 200-C verbunden. Eine erste Teilmenge der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen kann dann zum Leiten eines Stroms vertikal durch das Halbleitersubstrat 102 während eines Vorwärts-Operationsmodus und zum Blockieren eines Stroms dahingehend ausgebildet sein, während des Rückwärts-Operationsmodus vertikal durch das Halbleitersubstrat 102 zu fließen. Zum Beispiel kann innerhalb der ersten Teilmenge der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen die Kollektor-Dotierungsregion 134 die Drift-Dotierungsregion 122 von der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 und somit von der Kollektorelektrode trennen.
  • Andererseits kann eine zweite Teilmenge der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen zum Leiten eines Stroms vertikal durch das Halbleitersubstrat 102 während des Vorwärts- und des Rückwärts-Operationsmodus ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann die zweite Teilmenge der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen die Kollektor-Dotierungsregion 134 ausschließen, sodass die Drift-Dotierungsregion sich lateral über die Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 innerhalb der RC-IGBT-Zellen der zweiten Teilmenge erstrecken kann. Anders ausgedrückt können die IGBT-Zellen der ersten Teilmenge der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen eine Struktur aufweisen, die der FC-IGBT-Zelle 200-A von 2a entsprechen, während die IGBT-Zellen der zweiten Teilmenge der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen eine Struktur aufweisen können, die der Struktur einer doppelt diffundierten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistorzelle (DMOSFET-Zelle; double-diffused metaloxide semiconductor field effect transistor) entsprechen können. Somit kann sich die Kollektor-Dotierungsregion 134 lateral an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 innerhalb zumindest einer rückwärts leitenden Bipolar-Transistorzelle mit isoliertem Gate erstrecken.
  • Gemäß einer exemplarischen Implementierung des Halbleiterbauelements 200-C sind zumindest einige der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen lateral benachbart zueinander angeordnet. Eine maximale Breite der Drift-Dotierungsregion 122 an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 kann größer sein als ein Zellenabstand der benachbart angeordneten RC-IGBT-Zellen. Dies kann eine größere maximale Breite der Drift-Dotierungsregion 122 an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 erlauben und somit den Herstellungsprozess und/oder die Herstellungstoleranzen des Halbleiterbauelements 200-C erleichtern. Ein Zellenabstand der benachbart angeordneten RC-IGBT-Zellen kann der Breite einer RC-IGBT-Zelle entsprechen.
  • Zum Beispiel kann die maximale Breite der Drift-Dotierungsregion 122 an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 größer sein als die Gesamtbreite der benachbart angeordneten RC-IGBT-Zellen, solange eine minimale laterale Distanz entlang der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats von jeglicher der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen zu einem Abschnitt der Drift-Dotierungsregion, der an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, größer ist als 1 µm. Zu diesem Zweck kann ein Abschnitt des Halbleitersubstrats 102, der weder durch RC-IGBT-Zellen noch durch FC-IGBT-Zellen belegt ist, lateral zwischen der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen und der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen angeordnet sein.
  • Alternativ kann die maximale Breite der Drift-Dotierungsregion 122 an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 kleiner sein als die Gesamtbreite der benachbart angeordneten RC-IGBT-Zellen. Zum Beispiel kann die maximale Breite der Drift-Dotierungsregion 122 an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 kleiner sein als 90 % (oder kleiner als 75%, oder kleiner als 50 %, oder kleiner als 30 %) der Gesamtbreite der benachbart angeordneten RC-IGBT-Zellen.
  • Hierin kann die maximale Breite der Drift-Drift-Dotierungsregion 122 an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 der maximalen Breite eines Schnittstellenbereichs der Drift-Dotierungsregion 122 mit der Kollektorelektrode 132 entsprechen. Eine Länge der Drift-Dotierungsregion 122 (z.B. eine laterale Erstreckung der Drift-Dotierungsregion 122 senkrecht zu den in 2b-c gezeigten Querschnitten) an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 kann größer sein als die maximale Breite der Drift-Dotierungsregion 122 an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102.
  • Zusätzlich kann innerhalb der benachbart angeordneten RC-IGBT-Zellen die Kollektor-Dotierungsregion 134 die Drift-Dotierungsregion 122 an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 lateral umgeben. Dies ist in 2c gezeigt und kann Nebensprechen zwischen der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen und der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen reduzieren.
  • Zurück zu 2b erstrecken sich die Kollektor-Dotierungsregion 132 und die Drift-Dotierungsregion 122 lateral an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 innerhalb der RC-IGBT-Zelle 200-B. In dem Vorwärts-Operationsmodus eines Halbleiterbauelements, das die RC-IGBT-Zelle 200-B umfasst, kann die Kollektor-Dotierungsregion 134 einen Kollektor-Emitter-Widerstandswert der RC-IGBT-Zelle 200-B reduzieren. Die FC-IGBT-Zelle aus 2a jedoch kann einen niedrigeren Kollektor-Emitter-Widerstandswert aufweisen als die RC-IGBT-Zelle 200-B während des Vorwärts-Operationsmodus, da sich innerhalb der FC-IGBT-Zelle 200-A die Kollektor-Dotierungsregion 134 über die (gesamte) Rückseitenoberfläche der FC-IGBT-Zelle 200-A erstrecken kann.
  • Aus diesem Grund kann ein exemplarisches Halbleiterbauelement eine höhere Gesamtanzahl von FC-IGBT-Zellen als von RC-IGBT-Zellen aufweisen. Die FC-IGBT-Zellen können dann zum Leiten eines Laststroms (z.B. Vorwärtsstroms) des Halbleiterbauelements während des Vorwärts-Operationsmodus verwendet werden, wohingegen die RC-IGBT-Zellen zum Messen physikalischer Größen des Halbleiterbauelements (z.B. des Laststroms und/oder einer Temperatur des Halbleiterbauelements) verwendet werden können. Da für solche Mess-Aufgaben ein viel niedrigerer Strom als der Laststrom durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen fließen kann (z.B. weniger als 1%, oder weniger als 0,10%, oder weniger als 0,01 % des Laststroms), können Verluste aufgrund eines erhöhten Kollektor-Emitter-Widerstandswerts der RC-IGBT-Zellen nur etwas zu den Gesamtverlusten des Halbleiterbauelements beitragen. Andererseits, aufgrund der dominierenden Anzahl von FC-IGBT-Zellen mit einem niedrigeren Kollektor-Emitter-Widerstandswert während des Vorwärts-Operationsmodus können die Gesamtverluste des Halbleiterbauelements im Vergleich zu anderen rückwärts leitenden IGBT-Bauelementen reduziert werden.
  • Um einen Laststrom (z.B. einen Rückwärtsstrom) während des Rückwärts-Operationsmodus zu leiten (oder um Verluste des Halbleiterbauelements während des Rückwärts-Operationsmodus zu reduzieren) kann das Halbleiterbauelement 100 zusätzlich eine Diode aufweisen. Die Diode kann extern sowohl zu der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen als auch der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen sein. Ferner kann die Diode ausgebildet sein, um zumindest 70% (oder zumindest 80%, oder zumindest 90%, oder zumindest 99%, oder zumindest 99,90%, oder zumindest 99,99%) eines Gesamtstroms (z.B. eines Gesamt-Rückwärtsstroms) durch das Halbleiterbauelement 100 während des Rückwärts-Operationsmodus zu leiten. Die Diode kann zum Beispiel eine Freilaufdiode sein.
  • Um einen so hohen Bruchteil des Gesamtstroms während des Rückwärts-Operationsmodus zu leiten, kann ein lateraler Bereich der Diode (z.B. ein Querschnitt der Diode parallel zu der Vorderseitenoberfläche eines Halbleitersubstrats der Diode und senkrecht zu einer Stromrichtung durch die Diode) dimensioniert sein, um entsprechend größer zu sein als ein gesamter lateraler Bereich der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen. Zum Beispiel, wenn die Diode ausgebildet ist, um 70% eines Gesamtstroms während des Rückwärts-Operationsmodus zu leiten, kann die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen ausgebildet sein, um die verbleibenden 30% des Gesamtstroms zu leiten. Der laterale Bereich der Diode kann dann um einen Faktor von ungefähr 7/3 größer sein im Vergleich zu dem lateralen Gesamtbereich der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen.
  • Die Diode kann ein Halbleitersubstrat separat von einem gemeinsamen Halbleitersubstrat der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen aufweisen. Die Diode kann dann in ein gemeinsames Halbleitergehäuse zusammen mit dem gemeinsamen Halbleitersubstrat der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen integriert werden. Alternativ kann die Diode in einem anderen Teil des gemeinsamen Halbleitersubstrats der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen angeordnet sein.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat sein. Alternativ kann das Halbleitersubstrat ein Halbleitersubstrat mit breitem Bandabstand mit einem Bandabstand größer als dem Bandabstand von Silizium (1,1 eV) sein. Zum Beispiel kann das Halbleitersubstrat ein auf Siliziumcarbid (SiC) basierendes Halbleitersubstrat oder ein auf Galliumarsenid (GaAs) basierendes Halbleitersubstrat oder ein auf Galliumnitrid (GaN) basierendes Halbleitersubstrat sein. Das Halbleitersubstrat kann ein Halbleiterwafer oder ein Halbleiterchip sein.
  • Die Vorderseitenoberfläche des Halbleitersubstrats kann die Oberfläche sein, die zum Implementieren von höher entwickelten und komplexeren Strukturen verwendet wird als die Rückseitenoberfläche, da die Prozessparameter (z.B. Temperatur) und die Handhabung für die Rückseitenoberfläche eingeschränkt sein können, wenn Strukturen zum Beispiel bereits an einer Seite des Halbleitersubstrats gebildet sind.
  • Vertikale Richtungen, vertikale Abmessungen (z. B. Tiefen), Dicken von Regionen, Teile von Regionen und/oder von Schichten und Dicken von Strukturen können zum Beispiel orthogonal zu der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats gemessen werden. Laterale Richtungen und laterale Abmessungen (z. B. Längen und Breiten) können parallel zu der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats gemessen werden. Wenn z. B. auf eine Länge und/oder auf eine Breite einer Region, eines Teils einer Region, eines Bereichs, einer Struktur und/oder einer Schicht Bezug genommen wird, bezeichnet die Länge die längere laterale Abmessung und die Breite bezeichnet die kürzere laterale Abmessung der Struktur und/oder der Schicht.
  • Eine Region, die den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, kann eine p-dotierte Region (z. B. verursacht durch Einbringen von Aluminiumionen oder Borionen) oder eine n-dotierte Region (z. B. verursacht durch Einbringen von Stickstoffionen, Phosphorionen oder Arsenionen) sein. Folglich zeigt der zweite Leitfähigkeitstyp eine entgegengesetzte n-dotierte Region und/oder p-dotierte Region an. Anders ausgedrückt, der erste Leitfähigkeitstyp kann eine p-Dotierung anzeigen und der zweite Leitfähigkeitstyp kann eine n-Dotierung anzeigen, oder umgekehrt.
  • 3a zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung 300-A einer FC-IGBT-Zelle 301 und einer Diode 350, die parallel zu der FC-IGBT-Zelle 301 geschaltet ist. Die Anordnung 300-A kann zusätzliche FC-IGBT-Zellen und/oder zusätzliche RC-IGBT-Zellen aufweisen. Die FC-IGBT-Zelle 301 kann ähnlich zu der FC-IGBT-Zelle 200-A aus 2a sein. Bei dem Beispiel von 3a ist der erste Leitfähigkeitstyp p und der zweite Leitfähigkeitstyp ist n. Ferner umfasst eine Drift-Dotierungsregion der FC-IGBT-Zelle 301 einen Drift-Teil 122-1 und einen Feldstopp-Teil 122-2 (oder Feldstoppschicht), der vertikal zwischen dem Drift-Teil 122-1 und einer Kollektor-Dotierungsregion 134 der FC-IGBT-Zelle 301 angeordnet ist. Der Feldstopp-Teil 122-2 umfasst eine höhere maximale Dotierung als der Drift-Teil 122-1.
  • Die Diode 350 umfasst eine erste Dioden-Dotierungsregion 352 des ersten Leitfähigkeitstyps und eine zweite Dioden-Dotierungsregion 354 des ersten Leitfähigkeitstyps. Die erste Dioden-Dotierungsregion 352 bildet einen pn-Übergang mit der zweiten Dioden-Dotierungsregion 354. Die erste Dotierungsregion 352 ist elektrisch mit einer Emitterelektrode 104 der FC-IGBT-Zelle 301 verbunden. Die zweite Dioden-Dotierungsregion 354 ist elektrisch mit einer Kollektorelektrode (in 3a nicht gezeigt) der FC-IGBT-Zelle 301 verbunden.
  • Während eines Vorwärts-Operationsmodus eines Halbleiterbauelements, das die Anordnung 300-A umfasst, kann die Kollektorelektrode auf einem höheren elektrischen Potential sein als die Emitterelektrode 104, und eine Spannung, die an eine Gate-Elektrode 112 der FC-IGBT-Zelle angelegt ist, kann höher sein als eine Schwellenspannung (z.B. eine Gate-Emitter-Schwellenspannung) der FC-IGBT-Zelle 301. Auf diese Weise kann ein Vorwärtsstrom 383 (z.B. ein Laststrom) von der Kollektorelektrode über den pn-Übergang der Kollektor-Dotierungsregion 134 mit der Drift-Dotierungsregion und über leitfähige Kanäle durch eine erste und eine zweite Body-Dotierungsregion 116-1, 116-2 der FC-IGBT-Zelle 301 zu der Emitterelektrode 104 fließen. Der pn-Übergang der Diode 350 kann während des Vorwärts-Operationsmodus so in Rückwärtsrichtung vorgespannt sein, dass die Diode 350 Ströme durch dieselbe während des Vorwärts-Operationsmodus blockieren kann.
  • Während eines Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements, das die Anordnung 300-A umfasst, kann die Emitterelektrode 104 auf einem höheren elektrischen Potential sein als die Kollektorelektrode. Der pn-Übergang zwischen der Kollektor-Dotierungsregion 134 und der Drift-Dotierungsregion kann somit in Rückwärtsrichtung vorgespannt sein, während der pn-Übergang der Diode 350 in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein kann. Somit kann ein Rückwärtsstrom 384 von der Emitterelektrode (oder von einem Verdrahtungselement, das mit der Emitterelektrode verbunden ist) über die Diode 350 zu der Kollektorelektrode (oder zu einem Verdrahtungselement, das mit der Kollektorelektrode verbunden ist) fließen.
  • In einem Sperr-Operationsmodus der FC-IGBT-Zelle 301 kann die Kollektorelektrode auf einem höheren elektrischen Potential sein als die Emitterelektrode 104. Die Spannung, die an die Gate-Elektrode 112 der FC-IGBT-Zelle angelegt ist, kann kleiner sein als die Schwellenspannung der FC-IGBT-Zelle 301. Somit kann weder in der ersten noch in der zweiten Body-Dotierungsregion 116-1, 116-2 ein leitfähiger Kanal induziert werden, so dass ein Strom blockiert werden kann, um nicht durch die FC-IGBT-Zelle 301 während des Blockier-Operationsmodus zu fließen. Da die Diode während des Blockier-Operationsmodus in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, kann ein Strom auch blockiert werden, um nicht durch die Diode zu fließen.
  • Natürlich können die FC-IGBT-Zelle 301 und die Diode 350 auch komplementär dotiert sein, was bedeutet, dass der erste Leitfähigkeitstyp n sein kann und der zweite Leitfähigkeitstyp p sein kann. Die Spannungen, die an die Anordnung 300-A für die unterschiedlichen Operationsmodi angelegt werden können dann von umgekehrten Polaritäten sein, was zu umgekehrten Stromrichtungen führt.
  • 3b zeigt einen schematischen Querschnitt einer anderen RC-IGBT-Zelle 300-B. Die RC-IGBT-Zelle 300-B kann ähnlich zu der RC-IGBT-Zelle 200-B aus 2b sein. Ferner kann die RC-IGBT-Zelle 300-B (oder eine Mehrzahl derselben) in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 102 zusammen mit einer oder mehreren FC-IGBT-Zellen 301 von 3a angeordnet sein. Bei der exemplarischen RC-IGBT-Zelle 300-B ist der erste Leitfähigkeitstyp p und der zweite Leitfähigkeitstyp ist n.
  • Die RC-IGBT-Zelle 300-B umfasst zumindest einen Teil einer Drift-Dotierungsregion des Halbleitersubstrats 102. Innerhalb der RC-IGBT-Zelle 300-B sind zwei Abschnitte 122-3, 122-4 der Drift-Dotierungsregion an einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 angeordnet. Die zwei Abschnitte 122-3, 122-4 der Drift-Dotierungsregion, die an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 angeordnet sind, können eine höhere maximale Dotierungskonzentration aufweisen als ein Feldstoppteil 122-2 und/oder ein Drift-Teil 122-1 der Drift-Dotierungsregion. Ferner umfasst die RC-IGBT-Zelle 300-B zumindest einen Teil einer Kollektor-Dotierungsregion 134 des Halbleitersubstrats 102, der an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 angeordnet ist. Der Teil der Kollektor-Dotierungsregion 134, der in der RC-IGBT-Zelle 300-B umfasst ist, sowie die zwei Abschnitte der Drift-Dotierungsregion 122-3, 122-4 können in Kontakt mit einer Kollektorelektrode an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 sein.
  • Während eines Vorwärts-Operationsmodus und/oder während eines Blockier-Operationsmodus eines Halbleiterbauelements, das die RC-IGBT-Zelle 300-B umfasst, kann die Kollektorelektrode auf einem höheren elektrischen Potential sein als eine (zweite) Emitterelektrode 104 des Halbleiterbauelements, das die RC-IGBT-Zelle 300-B kontaktiert. Während eines Blockier-Operationsmodus kann eine Spannung, die an eine Gate-Elektrode 112 der RC-IGBT-Zelle angelegt ist, niedriger sein als eine Schwellenspannung (z.B. Gate-Emitter-Schwellenspannung) der RC-IGBT-Zelle 300-B, sodass ein (Vorwärts-) Strom blockiert werden kann, um nicht durch die RC-IGBT-Zelle zu fließen. Während des Vorwärts-Operationsmodus kann die Spannung, die an die Gate-Elektrode 112 angelegt ist, höher sein als die Schwellenspannung. Wie in 3b gezeigt ist, kann ein Vorwärtsstrom 383 dann von der Kollektorelektrode über einen pn-Übergang der Kollektor-Dotierungsregion 134 mit der Drift-Dotierungsregion und über leitfähige Kanäle durch eine erste und eine zweite Body-Dotierungsregion 116-1, 116-2 der RC-IGBT-Zelle 300-B zu der Emitterelektrode 104 fließen.
  • Während eines Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements, das die RC-IGBT-Zelle 300-B umfasst, kann die Kollektor-Elektrode auf einem niedrigeren elektrischen Potential sein als die Emitterelektrode 104. Dies kann pn-Übergänge zwischen der Body-Dotierungsregion 116-1, 116-2 und der Drift-Dotierungsregion in Vorwärtsrichtung vorspannen. Ein Rückwärtsstrom 384 kann dann von der Emitterelektrode 104 über die Body-Dotierungsregionen 116-1, 116-2 in die Drift-Dotierungsregion fließen. Da sich innerhalb der RC-IGBT-Zelle 300-B die Drift-Dotierungsregion zu der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 102 erstreckt, wo sie in Kollektorelektrode ist, kann der Rückwärtsstrom von der Drift-Dotierungsregion (direkt) zu der Kollektorelektrode fließen.
  • Natürlich kann die RC-IGBT-Zelle 301 auch komplementär dotiert sein, was bedeutet, dass der erste Leitfähigkeitstyp n sein kann und der zweite Leitfähigkeitstyp p sein kann. Die Spannungen, die an die RC-IGBT-Zelle 300-B für die unterschiedlichen Operationsmodi angelegt werden, können dann von umgekehrten Polaritäten sein, was zu umgekehrten Stromrichtungen führt.
  • Bei einem Halbleiterbauelement (z.B. dem Halbleiterbauelement 100 von 1) kann die Emitterelektrode 104, die die RC-IGBT-Zelle 300-B (oder eine Mehrzahl derselben) kontaktiert, von einer Emitterelektrode isoliert sein, die eine oder mehrere FC-IGBT-Zellen kontaktiert. Auf diese Weise können der Vorwärtsstrom 383 und/oder der Rückwärtsstrom 384 (oder Bruchteile derselben), die durch die RC-IGBT-Zelle 300-B (oder eine Mehrzahl derselben) fließen, bei Messanwendungen zum Bestimmen physikalischer Größen des Halbleiterbauelements verwendet werden.
  • Zur weiteren, Darstellung des Prinzips der Bereitstellung separater Emitterelektroden zeigt 4 eine schematische Draufsicht eines Halbleiterbauelements 400. Das Halbleiterbauelement 400 kann ähnlich zu dem Halbleiterbauelement 100 von 1 sein. Das Halbleiterbauelement 400 umfasst eine Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und eine Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen. Die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen können in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat des Halbleiterbauelements 400 angeordnet sein. Genauer gesagt zeigt 4 eine schematische Draufsicht einer oberen Metallisierungsschicht eines Verdrahtungsschichtstapels des Halbleiterbauelements 400. Der Verdrahtungsschichtstapel kann laterale Verdrahtungselemente (z.B. Übertragungsleitungen, leitfähige Schichten und/oder Kontaktanschlussflächen) sowie vertikale Verdrahtungselemente (z.B. Vias) aufweisen.
  • Die obere Metallisierungsschicht umfasst eine erste Emitter-Anschlussfläche 104-1. Die erste Emitter-Anschlussfläche 104-1 kann elektrisch verbunden sein mit einer ersten Emitterelektrode, die Emitter-Dotierungsregionen und Body-Dotierungsregionen der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen (z.B. IGBT-Last-Zellen) kontaktiert. Ferner umfasst die obere Metallisierungsschicht eine zweite Emitter-Anschlussfläche 104-2. Die zweite Emitter-Anschlussfläche 104-2 kann elektrisch verbunden sein mit einer zweiten Emitterelektrode, die Emitter-Dotierungsregionen und Body-Dotierungsregionen der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen (z.B. IGBT-Erfassungs-Zellen) kontaktiert. Die erste und zweite Emitter-Anschlussfläche 104-1, 104-2 sind elektrisch voneinander isoliert. Die erste Emitter-Anschlussfläche bedeckt einen größeren lateralen Bereich der oberen Metallisierungsebene als die zweite Emitter-Anschlussfläche. Zum Beispiel kann der laterale Bereich der ersten Emitter-Anschlussfläche 104-1 zumindest 10 Mal (oder zumindest 25 Mal, zumindest 50 Mal, oder zumindest 100 Mal) so groß sein wie der laterale Bereich der zweiten Emitter-Anschlussfläche 104-2. Auf diese Weise kann die erste Emitter-Anschlussfläche 104-1 höhere Ströme leiten als die zweite Emitter-Anschlussfläche 104-2 und kann elektrisch verbunden sein mit einer größeren Anzahl von FC-IGBT-Zellen als einer Anzahl von RC-IGBT-Zellen, die elektrisch verbunden sind mit der zweiten Emitter-Anschlussfläche 104-2.
  • Die zweite Emitter-Anschlussfläche 104-2 ist an einer Mitte der oberen Metallisierungsebene (oder nahe der Mitte, z.B. weniger als 10% einer maximalen lateralen Erstreckung des Halbleitersubstrats entfernt von der Mitte) angeordnet und ist lateral von der ersten Emitter-Anschlussfläche 104-1 umgeben. Bei dem Halbleitersubstrat, das unter dem Verdrahtungsschichtstapel angeordnet ist, kann die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen dann an einer Mitte des Halbleitersubstrats (oder nahe der Mitte des Halbleitersubstrats) angeordnet sein, während sie lateral von der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen umgeben ist. Zur Verwendung der RC-IGBT-Zellen für eine Temperaturmessung kann es erwünscht sein, die RC-IGBT-Zellen (z.B. die RC-Stromerfassungszellen) in der Nähe der Mitte des Halbleitersubstrats des Halbleiterbauelements 400 (z.B. des IGBT) zu platzieren, wo die höchsten Temperaturen auftreten können.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt 5 einen Teil eines schematischen Querschnitts einen Bipolartransistorbauelements mit isoliertem Gate (IGBT-Bauelement) 500. Das IGBT-Bauelement 500 umfasst eine erste TransistorDotierungsregion 534 eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine zweite TransistorDotierungsregion 522 eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Die erste Transistordotierungsregion 534 und die zweite Transistordotierungsregion 522 sind in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 502 des IGBT-Bauelements angeordnet. Ferner umfasst das IGBT-Bauelement eine Kollektorelektrode 532 in Kontakt mit der ersten Transistordotierungsregion 534 und der zweiten Transistordotierungsregion 522 an einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 502. Ein Kontaktbereich 533 zwischen der Kollektorelektrode 532 und der ersten Transistordotierungsregion 532 ist größer als 70% (oder größer als 90 %, oder größer als 99 %, oder größer als 99,90 %, oder größer als 99,99 %) eines Gesamtkontaktbereichs zwischen der Kollektorelektrode und der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 502.
  • Durch Bereitstellen eines Kontakts zwischen der Kollektorelektrode 532 und zwei Dotierungsregionen unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen kann das IGBT-Bauelement 500 ausgebildet werden, einen Strom vertikal durch das Halbleitersubstrat 502 (z.B. zwischen einer Emitterelektrode des IGBT-Bauelements 500 und der Kollektorelektrode 532) sowohl in einem Vorwärts- als auch Rückwärts-Operationsmodus zu leiten. Dies kann wiederum ein Messen (z.B. Herleiten) und/oder Überwachen physikalischer Größen des IGBT-Bauelements 500 ermöglichen, wie z.B. eines Vorwärtsstroms in dem Vorwärts-Operationsmodus, eines Rückwärtsstroms in dem Rückwärts-Operationsmodus und/oder einer Temperatur des IGBT-Bauelements 500. Durch Dimensionieren des Kontaktbereichs 533 zwischen der Kollektorelektrode 532 und der ersten Transistordotierungsregion 532 zumindest auf 70% (oder größer, wie oben angegeben) des Gesamtkontaktbereichs zwischen der Kollektorelektrode 532 und der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 502 kann das Verhalten des IGBT-Bauelements 500 im Hinblick auf Leiten, Schalten und/oder Blockieren verbessert werden. Zum Beispiel kann ein größerer Kontaktbereich 533 zwischen der Kollektorelektrode 532 und der ersten Transistordotierungsregion 532 eine Blockierspannung (oder Durchbruchspannung) des IGBT-Bauelements 500 erhöhen, Schaltzeiten (z.B. zwischen dem Vorwärts-, dem Rückwärts- und einem Blockier-Operationsmodus) des IGBT-Bauelements 500 reduzieren und/oder einen Emitter-Kollektor-Widerstandswert des IGBT-Bauelements während des Vorwärts-Operationsmodus verringern. Ein Kontaktbereich zwischen der Kollektorelektrode 532 und der zweiten Transistordotierungsregion 522 kann kleiner sein als 30 % (oder kleiner als 10 %, oder kleiner als 1 %, oder kleiner als 0,10 %, oder kleiner als 0,01 %) und/oder größer als 1/500000 (eins zu fünfhunderttausend) (oder größer als 0,05%, oder größer als 0,50%, oder größer als 5%) des Gesamtkontaktbereichs zwischen der Kollektorelektrode 532 und der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 502.
  • Zum Beispiel ist die erste Transistordotierungsregion 534 eine Kollektor-Dotierungsregion des IGBT-Bauelements 500 und die zweite Transistordotierungsregion ist eine Drift-Dotierungsregion 522 des Bipolartransistorbauelements mit isoliertem Gate 500.
  • Zum Beispiel kann das IGBT-Bauelement 500 ein Leistungshalbleiterbauelement sein. Das IGBT-Bauelement 500 kann eine Blockierspannung (oder Durchbruchspannung) von mehr als 10 V (zum Beispiel eine Blockierspannung von 10 V, 20 V oder 50 V), mehr als 100 V (zum Beispiel eine Blockierspannung von 200 V, 300 V, 400 V oder 500 V) oder mehr als 500 V (zum Beispiel eine Blockierspannung von 600 V, 680 V, 700 V, 800 V oder 1000 V) oder mehr als 1000 V (zum Beispiel eine Blockierspannung von 1200 V, 1500 V, 1700 V oder 2000 V) aufweisen.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 600 zum Betreiben eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren umfasst ein Koppeln 610 eines Widerstands zwischen eine erste Emitterelektrode und eine zweite Emitterelektrode des Halbleiterbauelements. Die erste Emitterelektrode ist elektrisch verbunden mit einer Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen des Halbleiterbauelements. Die zweite Emitterelektrode ist elektrisch verbunden mit einer Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen des Halbleiterbauelements. Ferner umfasst das Verfahren 600 das Leiten 620 von zumindest einem Bruchteil eines Rückwärtsstroms des Halbleiterbauelements durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen während eines Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements. Ferner umfasst das Verfahren 600 ein Bestimmen 630 einer (ersten) Spannung über den Widerstand während des Rückwärts-Operationsmodus. Ferner umfasst das Verfahren 600 ein Herleiten 640 einer Größe des Rückwärtsstroms basierend auf der Spannung über den Widerstand.
  • Durch Betreiben des Halbleiterbauelements gemäß dem Verfahren 600 kann eine Größe des Rückwärtsstroms hergeleitet werden. Eine Kenntnis der Größe des Rückwärtsstroms kann bei verschiedenen Anwendungen zum Beispiel zum Steuern der Größe des Rückwärtsstroms und/oder zum Unternehmen von Vorkehrungen verwendet werden, wenn die Größe des Rückwärtsstroms eine Obergrenze überschreitet. In einem solchen Fall kann eine Versorgungsspannung des Halbleiterbauelements ausgeschaltet werden und/oder das Halbleiterbauelement kann von der Schaltung abgetrennt werden, in der es betrieben wird. Dies kann die Zuverlässigkeit der Operation des Halbleiterbauelements und/oder der Schaltung erhöhen, in der das Halbleiterbauelement verwendet wird.
  • Ein Herleiten 640 der Größe des Rückwärtsstroms kann zusätzlich das Herleiten einer Grö-ße des Bruchteils des Rückwärtsstroms durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen und das Skalieren der Größe des Bruchteils des Rückwärtsstroms um einen Rückwärtsstrom-Skalierungsfaktor aufweisen. Der Rückwärtsstrom-Skalierungsfaktor kann auf einem Verhältnis eines gesamten lateralen Bereichs der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen zu einem lateralen Bereich einer Diode basieren. Die Diode kann extern zu der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen sein und kann zwischen die erste Emitterelektrode und eine Kollektorelektrode des Halbleiterbauelements gekoppelt sein.
  • Zu diesem Zweck kann das Verfahren 600 ferner das Leiten von zumindest einem zweiten Bruchteil des Rückwärtsstroms durch die Diode aufweisen. Zum Beispiel kann der zweite Bruchteil des Rückwärtsstroms zumindest 70% (oder zumindest 90% oder zumindest 99% oder zumindest 99,90% oder zumindest 99,99%) des Rückwärtsstroms betragen.
  • Ein gesamter lateraler Bereich der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen kann die Summe des lateralen Querschnittsbereichs von jeder der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen sein. Der Bruchteil des Rückwärtsstroms, der durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen fließt, kann durch diesen gesamten lateralen Bereich der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen fließen. Anders ausgedrückt kann eine Richtung des Bruchteils des Rückwärtsstroms, der durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen fließt, senkrecht zu dem gesamten lateralen Bereich der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen sein. Ein gesamter lateraler Bereich der Diode kann ein lateraler Querschnittsbereich der Diode sein, durch die der zweite Bruchteil des Rückwärtsstroms fließen kann.
  • Die Diode kann eine Freilaufdiode des Halbleiterbauelements sein und kann ausgebildet sein, um Strom während des Rückwärts-Operationsmodus zu leiten und Strom während eines Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements zu blockieren. Die Diode kann in ein gemeinsames Substrat der FC-IGBT-Zellen und der RC-IGBT-Zellen integriert sein oder kann ein separates Halbleitersubstrat aufweisen und kann in ein gemeinsames Halbleitergehäuse zusammen mit dem gemeinsamen Halbleitersubstrat der FC-IGBT-Zellen und der RC-IGBT-Zellen integriert sein.
  • Durch Leiten von zumindest 70% (oder mehr, wie oben angegeben ist) des Rückwärtsstroms durch die Diode können Verluste des Halbleiterbauelements während des Rückwärts-Operationsmodus reduziert werden. Zum Beispiel kann die Diode einen niedrigeren Widerstandswert an den Rückwärtsstrom bereitstellen als die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen. Der kleinere Bruchteil des Rückwärtsstroms (z.B. weniger als 30% des Rückwärtsstroms), der durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen fließt, kann dann zum Bestimmen des zweiten Bruchteils des Rückwärtsstroms und/oder des gesamten Rückwärtsstroms eingesetzt werden, während nur unwesentliche Verluste bei dem Halbleiterbauelement verursacht werden.
  • Zusätzlich kann das Verfahren 600 ferner das Leiten eines Vorwärtsstroms des Halbleiterbauelements durch die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen während des Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements aufweisen. Ferner kann das Verfahren 600 das Bestimmen einer zweiten Spannung über den Widerstand während des Vorwärts-Operationsmodus und das Herleiten einer Größe des Vorwärtsstroms basierend auf der zweiten Spannung über den Widerstand aufweisen. Das Verfahren 600 kann somit das Überwachen des Stroms durch das Halbleiterbauelement unabhängig davon erlauben, ob das Halbleiterbauelement in dem Vorwärts- oder dem Rückwärts-Operationsmodus arbeitet, da sowohl die Größe des Vorwärts- als auch des Rückwärtsstroms hergeleitet werden kann. Dies kann die Zuverlässigkeit der Operation des Halbleiterbauelements und/oder der Schaltung oder Anwendung verbessern, in der das Halbleiterbauelement verwendet wird.
  • Das Herleiten einer Größe des Vorwärtsstroms kann das Herleiten einer Größe eines Bruchteils des Vorwärtsstroms, der durch den Widerstand fließt, und das Skalieren der Größe des Bruchteils des Vorwärtsstroms um einen Vorwärtsstrom-Skalierungsfaktor aufweisen. Der Vorwärtsstrom-Skalierungsfaktor kann auf einem Verhältnis der Gesamtanzahl von FC-IGBT-Zellen zu der Gesamtanzahl von RC-IGBT-Zellen basieren.
  • Zum Beispiel kann der Bruchteil des Vorwärtsstroms durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen und durch den Widerstand fließen, der in Reihe mit der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen geschaltet sein kann. Dieser (erste) Bruchteil des Vorwärtsstroms kann dann eine (zweite) Spannung über den Widerstand verursachen. Ist der Widerstandswert des Widerstands bekant (z.B. durch den Schaltungsentwurf) kann die Größe des ersten Bruchteils des Vorwärtsstroms, der durch den Widerstand und somit durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen fließt, aus der Spannung über den Widerstand hergeleitet werden. Der erste Bruchteil des Vorwärtsstroms, der durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen fließt, kann proportional zu einem zweiten (z.B. verbleibenden) Bruchteil des Vorwärtsstroms sein, der durch die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen fließt. Diese Proportionalität und somit der Vorwärtsstrom-Skalierungsfaktor können von dem Verhältnis der Gesamtanzahl von FC-IGBT-Zellen zu der Gesamtanzahl von RC-IGBT-Zellen des Halbleiterbauelements abhängen. Durch Multiplizieren der Größe des ersten Bruchteils des Vorwärtsstroms mit diesem Verhältnis (z.B. mit dem Vorwärtsstrom-Skalierungsfaktor) kann eine Größe des zweiten Bruchteils des Vorwärtsstroms, der durch die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen fließt und/oder eine Größe des (gesamten) Vorwärtsstroms hergeleitet werden.
  • Zum Beispiel kann das Leiten des Vorwärtsstroms des Halbleiterbauelements das Leiten von zumindest 70% (oder zumindest 90% oder zumindest 99% oder zumindest 99,90% oder zumindest 99,99%) des Vorwärtsstroms durch die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen aufweisen. Da ein Emitter-Kollektor-Widerstandswert der FC-IGBT-Zellen niedriger sein kann als ein Emitter-Kollektor-Widerstandswert der RC-IGBT-Zellen kann das Leiten von mehr Vorwärtsstrom durch die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen zu einer leistungseffizienteren Operation des Halbleiterbauelements führen.
  • Zusätzlich kann das Verfahren 600 das Koppeln einer elektrischen Quelle zwischen die erste und die zweite Emitterelektrode während des Rückwärts-Operationsmodus aufweisen. Ferner kann das-Verfahren 600 das Bestimmen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode während des Rückwärts-Operationsmodus und das Herleiten einer Temperatur des Halbleiterbauelements basierend auf der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode aufweisen. Somit kann es möglich sein, die Temperatur des Halbleiterbauelements während dessen Operation zu überwachen. Zum Beispiel können, falls die Temperatur des Halbleiterbauelements eine Obergrenze überschreitet, Vorkehrungen unternommen werden, zum Beispiel kann ein Kühlen des Halbleiterbauelements verstärkt werden (z.B. kann die Geschwindigkeit eines Lüfters zum Kühlen des Halbleiterbauelements erhöht werden) oder das Halbleiterbauelement und/oder die Schaltung, in der das Halbleiterbauelement verwendet wird, können abgeschaltet werden. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit der Operation des Halbleiterbauelements verbessert werden.
  • Die elektrische Quelle kann eine Stromquelle und/oder eine Spannungsquelle sein (z.B. eine Kleinsignal-Stromquelle und/oder eine Kleinsignal-Spannungsquelle). Die elektrische Quelle kann einen konstanten (z.B. einen Temperatur-stabilisierten oder im Wesentlichen Temperatur-unabhängigen) Strom an die zweite Emitterelektrode bereitstellen. Der Strom, der durch die elektrische Quelle bereitgestellt wird, kann unterschiedlich zu einem Laststrom des Halbleiterbauelements sein und kann ein Mittel zum Herleiten der Temperatur des Halbleiterbauelements bereitstellen. Zum Beispiel kann während des Rückwärts-Operationsmodus der Laststrom des Halbleiterbauelements zumindest zehn Mal (oder zumindest hundert Mal, oder zumindest tausend Mal) so groß sein wie der Strom, der durch die elektrische Quelle bereitgestellt wird. Während des Rückwärts-Operationsmodus kann der Laststrom zum Beispiel durch eine (Freilauf-) Diode fließen, die parallel geschaltet ist zu der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen des Halbleiterbauelements.
  • Wenn die elektrische Quelle zwischen die erste und die zweite Emitterelektrode während des Rückwärts-Operationsmodus gekoppelt ist, kann die elektrische Quelle elektrisch in Reihe mit dem Widerstand geschaltet sein, derart, dass eine Reihenschaltung, die die elektrische Quelle und den Widerstand umfasst, zwischen die erste und die zweite Emitterelektrode gekoppelt ist. Auf diese Weise kann der Widerstand in die elektrische Quelle eingebracht sein. Zum Beispiel kann der Widerstand als ein interner Widerstandswert oder als ein Rückkopplungs-Widerstand der elektrischen Quelle dienen. Alternativ, wenn die elektrische Quelle zwischen die erste und die zweite Emitterelektrode während des Rückwärts-Operationsmodus gekoppelt ist, kann der Widerstand von zumindest einer der ersten und der zweiten Emitterelektrode abgekoppelt werden und die elektrische Quelle kann direkt zwischen die erste und die zweite Emitterelektrode gekoppelt sein.
  • Während des Rückwärts-Operationsmodus kann die Spannung zwischen der ersten und zweiten Emitterelektrode des Halbleiterbauelements von der Temperatur des Halbleiterbauelements abhängen. Da der Strom der elektrischen Quelle konstant gehalten werden kann, wird die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode möglicherweise durch den Strom der elektrischen Quelle nicht verändert, kann sich aber mit der Temperatur des Halbleiterbauelements ändern. Spannungen zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode können dann anzeigend für Temperaturen des Halbleiterbauelements sein.
  • Zusätzlich kann das Verfahren 600 das Einstellen einer Gate-Spannung des Halbleiterbauelements auf einen ersten Wert während des Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements und das Einstellen der Gate-Spannung auf einen zweiten Wert beim Bestimmen der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode (z.B. während des Rückwärts-Operationsmodus) aufweisen. Der zweite Wert der Gate-Spannung kann kleiner sein als der erste Wert und kann größer sein als eine Schwellenspannung (z.B. eine Emitter-Gate-Schwellenspannung) des Halbleiterbauelements. Auf diese Weise kann eine Temperatur-Abhängigkeit der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode erhöht werden, was ein Herleiten der Temperatur des Halbleiterbauelements basierend auf der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode erleichtern kann. Die Gate-Spannung kann an die Gate-Elektroden von sowohl der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen als auch der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen angelegt werden.
  • Alternativ kann das Verfahren 600 das Reduzieren der Gate-Spannung des Halbleiterbauelements unter die Schwellenspannung des Halbleiterbauelements beim Bestimmen der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode (z.B. während des Rückwärts-Operationsmodus) aufweisen. Auf diese Weise kann der Strom der elektrischen Quelle über einen pn-Übergang zwischen einem Teil einer Drift-Dotierungsregion und Body-Dotierungsregionen fließen, die in der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen umfasst sind. Eine Spannung über diesen pn-Übergang kann eine Temperatur-Abhängigkeit aufweisen. Da die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode auch von der Spannung über den pn-Übergang zwischen dem Teil der Drift-Dotierungsregion und den Body-Dotierungsregionen abhängen kann, die in der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen umfasst sind, kann die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode anzeigend für eine Temperatur des Halbleiterbauelements sein.
  • 7a zeigt ein Schema einer Schaltung 700, umfassend ein Halbleiterbauelement 100 mit einer Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und einer Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen sowie eine Schaltungsanordnung zum Herleiten von physikalischen Größen des Halbleiterbauelements 100. Das Halbleiterbauelement 100 kann ähnlich zu dem Halbleiterbauelement 100 von 1 sein. Bei diesem Beispiel sind die FC-IGBT-Zellen und die RC-IGBT-Zellen npnp-Bipolar-Transistorzellen mit isoliertem Gate, sodass der erste Leitfähigkeitstyp p ist und der zweite Leitfähigkeitstyp n ist. Eine erste Emitterelektrode 104-1 des Halbleiterbauelements 100 ist mit der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen gekoppelt und eine zweite Emitterelektrode des Halbleiterbauelements 100 ist mit der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen gekoppelt. Eine Kollektorelektrode 132 des Halbleiterbauelements 100 ist sowohl mit der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen als auch der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen gekoppelt. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement 100 eine Diode 350. Eine Anode der Diode 350 ist elektrisch mit der ersten Emitterelektrode 104-1 verbunden. Eine Kathode der Diode ist elektrisch mit der Kollektorelektrode 132 verbunden.
  • Ferner umfasst die Schaltung 700 einen Gate-Treiber-Verstärker 760' dessen Ausgang elektrisch mit einer Gate-Elektrodenstruktur 112 des Halbleiterbauelements 100 verbunden ist. Die Gate-Elektrodenstruktur 112 kann die Gate-Elektrode sowohl von den FC-IGBT-Zellen als auch den RC-IGBT-Zellen des Halbleiterbauelements 100 aufweisen. Ein Eingang des Gate-Treiber-Verstärkers 760 kann ausgebildet sein, um ein Gate-Signal einer weiteren Steuerschaltungsanordnung (nicht in 7a gezeigt) zum Steuern der Operation des Halbleiterbauelements 100 zu empfangen. Ein Widerstand 762 (z.B. ein Erfassungswiderstand), der in der Schaltung 700 umfasst ist, ist zwischen die zweite Emitterelektrode 104-2 und einen Schalter 764 (z.B. einen einpoligen Umschalter, SPDT-Schalter; single-pole double-throw switch) gekoppelt. Ein erster Anschluss des Widerstands 762 ist mit der zweiten Emitterelektrode 104-2 gekoppelt und ein zweiter Anschluss des Widerstands 762 ist mit einem gemeinsamen Port des Schalters 764 gekoppelt. Ein erster Kipp-Anschluss (throw terminal) des Schalters 764 ist mit der ersten Emitterelektrode 104-1 (und der Anode der Diode 350) gekoppelt. Ein zweiter Kipp-Anschluss des Schalters 764 ist mit einem ersten Anschluss einer elektrischen Quelle 766 (z.B. einer Kleinsignal-Stromquelle) der Schaltung 700 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der elektrischen Quelle 766 ist mit der ersten Emitterelektrode 104-1 gekoppelt. Ferner ist der Schalter 764 ausgebildet, um ein Schaltersignal von der Steuerschaltungsanordnung zu empfangen, um entweder den gemeinsamen Anschluss mit dem ersten oder dem zweiten Kipp-Anschluss elektrisch zu verbinden. Ferner umfasst die Schaltung 700 einen Erfassungsverstärker 768. Ein erster Eingang des Erfassungsverstärkers 768 ist mit dem ersten Anschluss des Widerstands 762 (und mit der zweiten Emitterelektrode 104-2) gekoppelt. Ein zweiter Eingang des Erfassungsverstärkers 768 ist mit der ersten Emitterelektrode 104-1 gekoppelt. Der Erfassungsverstärker ist ausgebildet, um eine Spannung zwischen seinem ersten und zweiten Eingang zu verstärken. Der Ausgang des Erfassungsverstärkers 768 kann mit der Steuerschaltungsanordnung verbunden sein. Die Ausgangsspannung des Erfassungsverstärkers kann anzeigend für physikalische Größen des Halbleiterbauelements 100 (z.B. einen Vorwärtsstrom, einen Rückwärtsstrom und/oder eine Temperatur) sein.
  • Zum Beispiel zeigt 7a eine Beispielschaltung zur Messung von Strom und Temperatur (des Halbleiterbauelements 100). Zur Reduzierung der Komplexität wird die Messung von Strom und Temperatur in individuellen Teilabschnitten erklärt. Bei einer Anwendung können die Messaufgaben nacheinander ausgeführt werden, um ein oder mehrere Strom- und Temperatur-Signale bei jedem Pulsweitenmodulations- (PWM-) Zyklus zu erhalten.
  • 7b zeigt das Halbleiterbauelement 100 in einem Vorwärts-Operationsmodus innerhalb der Schaltung 700 von 7a. In 7b ist die Schaltung 700 ausgebildet zum Herleiten einer Größe eines Vorwärtsstroms des Halbleiterbauelements 100. Zu diesem Zweck ist der Schalter 764 derart eingestellt, dass sein gemeinsamer Anschluss mit seinem ersten Kipp-Anschluss verbunden ist.
  • Der Vorwärtsstrom des Halbleiterbauelements 100 fließt in das Halbleiterbauelement an der Kollektorelektrode 132 (z.B. unter Vernachlässigung von Leckströmen der Diode). Ein erster Bruchteil 785 des Vorwärtsstroms fließt durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen und verlässt das Halbleiterbauelement 100 an der zweiten Emitterelektrode 104-2. Ein zweiter (verbleibender) Bruchteil des Vorwärtsstroms fließt durch die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und verlässt das Halbleiterbauelement 100 an der ersten Emitterelektrode 104-1. Der erste Bruchteil 785 des Vorwärtsstroms fließt weiter durch den Widerstand 762 und über den Schalter 764 zu der ersten Emitterelektrode (oder zu einem Verdrahtungselement, das mit der ersten Emitterelektrode verbunden ist), wo er sich mit dem zweiten Bruchteil des Vorwärtsstroms verbindet, der durch die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen fließt. Der erste Bruchteil 785 des Vorwärtsstroms verursacht eine (erste) Spannung über den Widerstand 762. Die (erste) Spannung über den Widerstand 762 wird durch den Erfassungsverstärker 768 verstärkt und kann an eine Steuerungsschaltung bereitgestellt werden, die ausgebildet sein kann, um eine Größe des ersten Bruchteils 785 des Vorwärtsstroms basierend auf der (ersten) Spannung über den Widerstand 762 herzuleiten. Ferner kann die Steuerungsschaltung ausgebildet sein, um die Größe des ersten Bruchteils 785 des Vorwärtsstroms um einen Vorwärtsstrom-Skalierungsfaktor zu skalieren, um die Größe des (gesamten) Vorwärtsstroms und/oder die Größe des zweiten Bruchteils des Vorwärtsstroms herzuleiten, der durch die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen fließt. Wie in dem Kontext von 6 erklärt wurde, kann der Vorwärtsstrom-Skalierungsfaktor auf einem Verhältnis einer Gesamtanzahl von FC-IGBT-Zellen zu einer Gesamtanzahl von RC-IGBT-Zellen des Halbleiterbauelements 100 basieren.
  • Zum Beispiel zeigt 7b einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) in einem leitenden Zustand (z.B. in dem Vorwärts-Operationsmodus). Die rückwärts leitenden (RC) Erfassungszellen (z.B. die RC-IGBT-Zellen) können zur Stromerfassung in der positiven Richtung verwendet werden.
  • 7c zeigt das Halbleiterbauelement 100 in einem Rückwärts-Operationsmodus innerhalb der Schaltung 700 von 7a. In 7c ist die Schaltung 700 ausgebildet zum Herleiten einer Größe eines Rückwärtsstroms des Halbleiterbauelements 100. Zu diesem Zweck ist der Schalter 764 derart eingestellt, dass sein gemeinsamer Anschluss mit seinem ersten Kipp-Anschluss verbunden ist.
  • Da die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen ausgebildet ist, um Strom zu blockieren, durch dieselben während des Rückwärts-Operationsmodus zu fließen, wird der Rückwärtsstrom zwischen der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen und der Diode 350 aufgespalten. Ein erster Bruchteil 786 des Rückwärtsstroms kann über den Schalter 762 und den Widerstand 762 durch die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen zu der Kollektorelektrode 132 fließen. Ein zweiter (verbleibender) Bruchteil des Rückwärtsstroms kann durch die Diode 350 fließen und sich mit dem ersten Bruchteil 786 des Rückwärtsstroms an der Kollektorelektrode 132 (oder an einem Verdrahtungselement, das mit der Kollektorelektrode 132 verbunden ist) vereinen. Der erste Bruchteil 786 des Rückwärtsstroms verursacht eine (zweite) Spannung über den Widerstand 762. Die (zweite) Spannung über den Widerstand 762 wird durch den Erfassungsverstärker 768 verstärkt und kann an eine Steuerungsschaltung bereitgestellt werden, die ausgebildet sein kann, um eine Größe des ersten Bruchteils 786 des Rückwärtsstroms basierend auf der (zweiten) Spannung über den Widerstand 762 herzuleiten. Ferner kann die Steuerungsschaltung ausgebildet sein, um die Größe des ersten Bruchteils 786 des Rückwärtsstroms um einen Rückwärtsstrom-Skalierungsfaktor zu skalieren, um die Größe des (gesamten) Rückwärtsstroms und/oder die Größe des zweiten Bruchteils des Rückwärtsstroms herzuleiten, der durch die Diode 350 fließt. Wie in dem Kontext von 6 erklärt wurde, kann der Rückwärtsstrom-Skalierungsfaktor auf einem Verhältnis eines gesamten lateralen Bereichs der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen zu einem lateralen Bereich der Diode 350 basieren.
  • Zum Beispiel zeigt 7c einen IGBT (z.B. das Halbleiterbauelement 100) in einem AusZustand (z.B. in dem Rückwärts-Operationsmodus). Die Diode 350 ist freilaufend. Die RC-Erfassungszellen (z.B. die RC-IGBT-Zellen) können zur Stromerfassung in der negativen Richtung verwendet werden. Anders ausgedrückt kann der RC-IGBT-Erfassungsemitter (z.B. die zweite Emitterelektrode) mit einem (Erfassungs-) Widerstand 762 verbunden sein. Der Spannungsabfall über diesen Widerstand 762 kann ein Stromsignal geben, das mit dem IGBT-Laststrom korrelieren kann (z.B. dem Vorwärts- und dem Rückwärtsstrom des Halbleiterbauelements 100). Der Erfassungsstrom kann idealerweise korreliert sein mit (Anzahl von Erfassungszellen / Anzahl von Lastzellen) oder im Fall der Diodenleitung kann er sein (Diodenbereich von Erfassungszellen / Diodenbereich von antiparalleler Diode). Das Konzept mit den Basisstromflusspfaden ist in 7b-c gezeigt.
  • 7d zeigt das Halbleiterbauelement 100 in einem Rückwärts-Operationsmodus innerhalb der Schaltung 700 von 7a. In 7d ist die Schaltung 700 ausgebildet zum Herleiten einer Temperatur des Halbleiterbauelements 100. Zu diesem Zweck ist der Schalter 764 derart eingestellt, dass sein gemeinsamer Anschluss mit seinem zweiten Kipp-Anschluss verbunden ist. Ferner kann eine Gate-Spannung, die durch den Gate-Treiber-Verstärker 760 üblicherweise zu der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und RC-IGBT-Zellen geliefert wird, größer sein als eine Schwellenspannung (z.B. eine Gate-Emitter-Schwellenspannung) der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und RC-IGBT-Zellen.
  • Wenn der (Hilfs-) Schalter 764 die elektrische Quelle 766 (z.B. eine Kleinsignal-Stromquelle oder -Spannungsquelle) mit dem Erfassungswiderstand 762 verbindet, ist es möglich, einen Kleinstrom 787 (z.B. weniger als 1 A) in Rückwärtsrichtung in die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen (z.B. die Stromerfassungszellen) zu injizieren. Dieser injizierte Strom 787 kann in der normalen Richtung (z.B. Vorwärtsrichtung) über die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen (z.B. die Lastzellen) zurück zu der elektrischen Quelle 766 fließen.
  • Dies ist detaillierter in 7e dargestellt, die einen schematischen Querschnitt eines Halbleiterbauelements 700-E zeigt, das ähnlich zu dem Halbleiterbauelement 100 von 7a-d ist. Der Strom 787, der aus der elektrischen Quelle injiziert wird, kann über die zweite Emitterelektrode 104-2 in die Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen fließen. Genauer gesagt kann der injizierte Strom 787 über eine Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistorstruktur (MOSFET-Struktur) der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen in eine Drift-Dotierungsregion 122 des Halbleiterbauelements 700-E fließen, da die Gate-Spannung der RC-IGBT-Zellen größer ist als ihre Schwellenspannung. Da die Gate-Spannung auch an die Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen angelegt ist kann der injizierte Strom 787 von dem Teil der Drift-Dotierungsregion 122 der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen zu dem Teil der Drift-Dotierungsregion 122 der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen und über eine MOSFET-Struktur der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen zu der ersten Emitterelektrode 104-1 flie-ßen. Der injizierte Strom kann dann zurück zu der elektrischen Quelle 766 (bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Richtung des injizierten Stroms 787 umgekehrt werden) fließen.
  • Die MOSFET-Strukturen der Mehrzahl 120 von RC-IGBT-Zellen und der Mehrzahl 110 von FC-IGBT-Zellen kann Emitter-Dotierungsregionen, Body-Dotierungsregionen und einen Teil der Drift-Dotierungsregion aufweisen, der in den RC-IGBT-Zellen und/oder FC-IGBT-Zellen umfasst ist. Ein leitfähiger Kanal kann in den Body-Dotierungsregionen durch das Anlegen der Gate-Spannung gebildet werden, die größer ist als die Schwellenspannung der RC-IGBT-Zellen und der FC-IGBT-Zellen.
  • In diesem Operationsmodus (z.B. Temperaturdetektion während des Rückwärts-Operationsmodus) kann das Gate des IGBT (z.B. der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und RC-IGBT-Zellen) eingeschaltet sein und somit können die Ausgangskennlinien der zwei in Reihe geschalteten MOSFET-Strukturen (z.B. der MOSFET-Struktur der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen, die in Reihe geschaltet ist mit der MOSFET-Struktur der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen) mit der Messschaltung 700 aus 7a-d detektiert werden. Ferner fließt der injizierte Strom möglicherweise nicht zu der pn-Rückseite des IGBT (z.B. zu dem pn-Übergang zwischen der Drift-Dotierungsregion 122 und der Kollektor-Dotierungsregion 134). Die Ausgangskennlinie (der MOSFET-Strukturen) kann temperatur-abhängig sein und somit kann ein Signal, das mit der Chip-Temperatur korreliert (z.B. der Temperatur des Halbleiterbauelements 100, 700-E), detektiert werden. Da die Reihenschaltung der MOSFET-Strukturen zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode 104-1, 104-2 angeordnet ist, kann eine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode 104-1, 104-2 anzeigend für die Temperatur des Halbleiterbauelements 100, 700-E sein. Diese Spannung kann durch dem Erfassungsverstärker 768 verstärkt werden. Eine Steuerungsschaltung, die mit dem Ausgang des Erfassungsverstärkers 768 verbunden ist, kann ausgebildet sein, um die Temperatur des Halbleiterbauelements 100 basierend auf der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode 104-1, 104-2 herzuleiten.
  • In diesem Modus kann der IGBT (z.B. die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und RC-IGBT-Zellen) mit einer reduzierten Gate-Spannung eingeschaltet werden (z.B. Gate-Treiber mit schwachen Einschalt- oder Einschalt-Merkmalen auf zwei Ebenen können verwendet werden). Während zum Beispiel die Gate-Spannung des Halbleiterbauelements während des Vorwärts-Operationsmodus auf einen ersten Wert eingestellt sein kann, kann die Gate-Spannung beim Bestimmen der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode während des Rückwärts-Operationsmodus auf einen zweiten Wert eingestellt sein, der kleiner ist als der erste Wert und größer als die Schwellenspannung. Mit einer solchen reduzierten Gate-Spannung kann die c der MOSFET-Strukturen eine stärkere Abhängigkeit von der Temperatur erkennen lassen im Vergleich zu einem Fall, in dem beide MOSFET-Kanäle vollständig eingeschaltet sind. Es kann dann für die Signalverarbeitung (z.B. die Steuerungsschaltung) einfacher sein, einen genaueren Temperaturwert herzuleiten. Für die niedrigere Gate-Spannung ist möglicherweise nicht einmal der lineare Modus kritisch, da die Energie-Abführung über die elektrische Quelle 766 (z.B. die Kleinsignalquelle) gesteuert werden kann.
  • Zusammenfassend zeigen 7d-e eine Temperaturerfassung mit GATE ON (GATE EIN). Die Kleinsignalquelle (z.B. die elektrische Quelle 766) führt den Strom zu zwei in Reihe geschalteten MOSFETS (z.B. den MOSFET-Strukturen der RC-Erfassungs-IGBT-Zellen und Last-IGBT-Zellen). Der Strom fließt möglicherweise nicht zu der IGBT-Rückseite. Ein Temperatursignal kann aus der Ausgangskennlinie der eingeschalteten MOSFET-Strukturen erhalten werden. Eine reduzierte Gate-Spannung kann eine Signalverarbeitung ermöglichen.
  • 7f zeigt einen alternativen Ansatz zum Herleiten einer Temperatur des Halbleiterbauelements 100 mit zusätzlicher Hilfe der Schaltung 700 aus 7a. Zu diesem Zweck ist das Halbleiterbauelement 100 in einem Rückwärts-Operationsmodus, aber die Gate-Spannung, die durch den Gate-Treiber-Verstärker 760 üblicherweise zu der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und RC-IGBT-Zellen geliefert wird, kann kleiner sein als die Schwellenspannung (z.B. die Gate-Emitter-Schwellenspannung) der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und RC-IGBT-Zellen. Der Schalter 764 ist derart eingestellt, dass sein gemeinsamer Anschluss mit seinem zweiten Kipp-Anschluss verbunden ist.
  • Wenn die elektrische Quelle 766 (z.B. eine Kleinsignalquelle) und der Erfassungswiderstand 762 auf dieselbe Weise verbunden sind wie oben erklärt wurde aber das Gate abgeschaltet ist (z.B. wird die Gate-Spannung des Halbleiterbauelements 100 unter die Schwellenspannung des Halbleiterbauelements 100 reduziert), kann die elektrische Quelle 766 einen Strom 788 in die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen zuführen (z.B. die RC-Erfassungs-IGBT-Zellen). Da die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen (z.B. die IGBT-Lastzellen) mit Gate aus ausgeschaltet sind kann der Strom 788 über die Last-Dioden-Kathode (z.B. die Kathode der Diode 350) fließen, die ein Potential von ungefähr -1,4V im Vergleich zu dem Last-Emitter (z.B. der ersten Emitterelektrode 104-1) haben kann. Somit kann das Signaal (z.B. die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode 104-1, 104-2) mit der Temperatur der RC-IGBT-Zellen korrelieren (z.B. den RC-Erfassungs-IGBT-Zellen (pn-Body-Diode)). Zusätzlich kann das Signal mit der Temperatur und Last der Last-Diode korrelieren (z.B. der Diode 350), was ein Herleiten einer Temperatur der Diode 350 ermöglichen kann.
  • Ferner kann anstelle einer Kleinsignal-Stromquelle eine Spannungsquelle für diesen Modus angeschlossen sein (z.B. während des Rückwärts-Operationsmodus beim Bestimmen der Temperatur des Halbleiterbauelements 100, während die Gate-Spannung unter die Schwellenspannung reduziert ist). Der Stromfluss (des Stroms der Kleinsignal-Spannungsquelle) kann in derselben Richtung und denselben Pfaden sein (wie für eine Kleinsignal-Stromquelle). Der Unterschied kann sein, dass der Strom (der Kleinsignal-Spannungsquelle) nur durch die Ausgangskennlinien der (Erfassungs-) RC-IGBT-Zellen eingeschränkt sein kann, was der schwächste Teil dieser Schaltung sein kann (z.B. kann im Wesentlichen eine Kurzschluss-Charakteristik gemessen werden). Diese Charakteristik kann stark temperatur-abhängig sein und der Strom kann über den Spannungsabfall über den ErfassungsWiderstand gemessen werden, z.B. den Widerstand 762 (I(Tj) = Uresistor/Rsense).
  • Zum Beispiel stellt 7f eine Temperaturerfassung mit GATE OFF (GATE AUS) dar. Die Kleinsignalquelle (z.B. die elektrische Quelle 766) kann Strom zu der RC-Erfassungs-IGBT-Zelle (z.B. der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen) zuführen, und da die IGBT-Lastzelle (z.B. die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen) im Blockier-Operationsmodus ist kann der Strom zu der Last-Dioden-Kathode fließen (z.B. der Kathode der Diode 350).
  • 7g stellt ein grundlegendes Beispiel einer temperaturabhängigen Ausgangskennlinie 700-G eines pn-Übergangs (z.B. einer pn-Diode) bei unterschiedlichen Temperaturen dar. Dieses Signal kann verwendet werden, um Temperaturen des Übergangs zu messen. Anders ausgedrückt zeigt 7g eine Temperaturerfassung über den Spannungsabfall von pn-Übergängen.
  • In 7g ist eine Spannung, die über einen pn-Übergang erfasst wird, auf der horizontalen Achse gezeichnet und der Strom über den pn-Übergang ist auf der vertikalen Achse gezeichnet. Die unterschiedlichen Kurven entsprechen unterschiedlichen Temperaturen des pn-Übergangs. Zum Beispiel kann die Temperatur des pn-Übergangs von der linksten Kurve zu der rechtesten Kurve abnehmen. Der pn-Übergang, wo die Spannung durch die Schaltung 700 erfasst wird, kann der pn-Übergang zwischen dem Teil der Drift-Dotierungsregion und einer Body-Dotierungsregion (oder Body-Dotierungsregionen) der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen sein. Da der Strom der elektrischen Quelle 766 (z.B. einer Kleinsignal-Stromquelle) der Schaltung 700 konstant gehalten werden kann (z.B. Temperatur-stabilisiert oder Temperatur-unabhängig), kann eine Änderung bei der erfassten Spannung über den pn-Übergang (die mit der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode 104-1, 104-2 korreliert sein kann) im Wesentlichen an einer Änderung bei einer Temperatur des pn-Übergangs und somit des Halbleiterbauelements 100 liegen, zum Beispiel.
  • 8 zeigt eine einzelne Phase einer 3-phasigen Sinus- (Abstandhalter-Vektor) modulierten Motor-Inverter-Anwendung 800. Abhängig von der Motorstrom-Richtung und dem Puls-Muster der entsprechenden Schalter kann der entsprechende Modus - Strom- oder Temperatur-Erfassung - ausgewählt werden.
  • Zum Beispiel, wenn der IGBT der Steuerungsschalter ist (er leitet und steuert den Strom durch die Ein-Zeit, z.B. ist er in dem Vorwärts-Operationsmodus) arbeitet er in dem Stromerfassungsmodus. Somit können auch Last-Sättigungs- und Kurzschluss-Bedingungen gemessen werden. Wenn die IGBT/Diode-Kombination im Freilauf ist (z.B. in dem Rückwärts-Operationsmodus), kann ausgewählt werden, ob der Diodenstrom oder die IGBT-Temperatur gemessen wird. Mit einer Kommunikation zwischen Hochseite (HighSide) (z.B. Hochseite IGBT) und Niederseite (LowSide) (z.B. Niederseite IGBT) kann insbesondere das Diodenstrom-Messsignal kalibriert werden, da der Strom der Niederseite während des Steuerungszustandes derselbe sein kann wie der Strom bei dem nachfolgenden Dioden-Freilauf. Beim Freilauf kann das Stromsignal eine niedrigere Priorität aufweisen (da es möglicherweise nicht direkt durch die IGBTs gesteuert wird) und somit kann diese Periode für die Temperaturerfassung verwendet werden, wie in 8 gezeigt ist. Anders ausgedrückt stellt 8 eine nachfolgende Strom- und Temperaturmessung dar, wenn Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, die eine Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen und eine Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen gemäß Ausführungsbeispielen dieser Offenbarung verwenden.
  • Im Vergleich zu anderen Bipolartransistorbauelementen mit isoliertem Gate (IGBT-Bauelementen) können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung im Hinblick auf das Verhalten überlegen sein, betreffend Blockieren, Leiten und/oder Schalten, im Hinblick auf Stromerfassung während der Dioden- (Freilauf-) Leitung, im Hinblick auf Temperaturerfassung und/oder im Hinblick auf Herstellungsaufwand. Diese anderen IGBT-Bauelemente können zum Beispiel ein IGBT mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung, ein rückwärts leitender (RC) IGBT mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung und/oder ein IGBT mit MOSFET-Stromerfassung und - Temperaturerfassung sein. Große Hochstrom-IGBTs können intern mehrere Tausend parallel geschaltete IGBT-Zellen aufweisen.
  • Bei einem IGBT mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung können mehrere dieser Zellen gemeinsam mit einem Kollektor (Chip-Rückseite) verbunden sein, können aber eine separate „Erfassungs-Emitter“-Verbindung aufweisen. Dieser Erfassungsemitter kann mit einer Messschaltung verbunden sein (z.B. Widerstands- und SpannungsMessung), die einen Stromspiegel repräsentiert. Mit einem Faktor von ungefähr (Anzahl von Erfassungs-Zellen / Anzahl von Last-Zellen) kann ein kleiner Strombetrag durch den Mess-Pfad fließen und somit kann der Strom, der in den IGBT-Lastzellen fließt, mit dieser Korrelation gemessen werden. Während der Freilauf-Operation (d.h. wenn der IGBT mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung blockiert und eine antiparallele Diode leitet) wird Strom mit diesem Konzept möglicherweise nicht erfasst, da Erfassungs- und Last-IGBT-Zellen beide im Blockier-Zustand sind.
  • Da die Erfassungs-Zellen (des IGBT mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung) nur leiten können, wenn sie mit den Lastzellen zusammenfallen, ist es möglicherweise nicht möglich, die Temperatur mit diesen Stromerfassungszellen zu messen. Daher können für eine Temperaturmessung kleine, zusätzliche pn-Dioden in einem individuellen Bereich des Chips (chipintegrierte Temperaturerfassung) des IGBT mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung implementiert sein. Der Bereich, den diese pn-Dioden verbrauchen, kann den aktiven IGBT-Bereich reduzieren und ferner können zusätzliche Prozessschritte zum Herstellen dieser Temperaturerfassungsdioden bei dem IGBT-Prozess eingeführt werden. Die Temperaturerfassungsdioden können auch sehr empfindlich sein für ESD- (elektrostatische Entladung; electrostatic discharge) Ereignisse und müssen möglicherweise weiter geschützt werden, was zusätzliche Komplexität für diese Lösung bringen kann.
  • Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung können IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung gegenüber überlegen sein, da bei IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung aktiver Bereich verloren gehen kann, aufgrund von Raum, der für zwei Kontaktanschlussflächen der Temperaturerfassungsdioden bereitgestellt wird. Ferner, im Vergleich zu Ausführungsbeispielen dieser Offenbarung, können zusätzliche Prozessschichten während der IGBT-Herstellung (z.B. für die Temperaturerfassungsdioden, für Streifenzellenstrukturen und/oder möglicherweise auch zur Stromerfassung) für die IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung erforderlich sein. Für IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung ist es eventuell nicht möglich, (direkt) eine Temperatur einer antiparallelen Diode zu erfassen (nur der IGBT kann dieses Temp/Strom-Erfassungs-Merkmal aufweisen). Während ferner eine Größe eines Rückwärtsstroms von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung hergeleitet werden kann, ist dies bei IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung eventuell nicht möglich, da wenn die (antiparallele) Diode leitend ist, möglicherweise kein Stromsignal verfügbar ist (nur der IGBT kann dieses Temp/StromErfassungs-Merkmal aufweisen). Ferner sind aufgrund der schwachen ESD-Robustheit der Temperaturerfassungsdioden IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung möglicherweise weniger Robust als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung.
  • Bei einem rückwärts leitenden IGBT (RC-IGBT) kann eine Kollektor-Dotierungsregion (z.B. ein p+-Bereich) in Kontakt mit einer Kollektorelektrode des RC-IGBT teilweise entfernt werden (lokale MOSFET-Struktur) und somit kann ein geeigneter Strompfad in der Rückwärtsrichtung hergestellt werden. Im Vergleich zu einer reinen MOSFET-Struktur kann die Blockierfähigkeit (Blockierspannung versus Chipdicke) immer noch viel besser sein und das Leit-Verhalten kann immer noch bipolar sein und somit können höhere Stromdichten erreicht werden. Bei RC-IGBTs kann dasselbe Konzept von chipintegrierten Stromerfassungs- und Temperaturerfassungs-Dioden implementiert sein wie bei einem IGBT mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können ein besseres elektrisches Verhalten aufweisen (im Hinblick auf Blockieren, Leiten und/oder Schalten) als RC-IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung. Bei RC-IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung kann eine Balance zwischen IGBT- und (antiparallelem) Dioden-Verhalten Kompromisse erfordern (z.B. muss möglicherweise ein Lebensdauer-Vernichten (lifetime killing) eingeführt werden, um eine Sperrverzögerung während der Diodenoperation zu reduzieren und/oder die Ein-Zustand-Verluste während einer IGBT-Operation können erhöht werden). Ferner können RC-IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung während der Freilauf-Operation möglicherweise nicht eingeschaltet werden (Leitung der Diode während des Rückwärts-Operationsmodus). Ansonsten kann die Trägerdichte reduziert werden, was zu höheren Leitungsverlusten (RC-D) führen kann. Im Vergleich zu Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung können komplexere PWM- (Pulsweitenmodulations-) Puls-Muster bei RC-IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung erforderlich sein (Entscheidung abhängig von der Stromfluss-Richtung) (RC-DC, wo die MOS-Gate-Diodenoperation als Merkmal verwendet werden kann).
  • Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung können RC-IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung gegenüber überlegen sein, da bei RC-IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung aktiver Bereich verloren gehen kann, aufgrund von Raum, der für zwei Kontaktanschlussflächen der Temperaturerfassungsdioden bereitgestellt wird. Ferner, im Vergleich zu Ausführungsbeispielen dieser Offenbarung, können zusätzliche Prozessschichten während der IGBT-Herstellung (z.B. für die Temperaturerfassungsdioden) für die RC-IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung erforderlich sein. Ferner sind aufgrund der schwachen ESD-Bauelement-Robustheit der Temperaturerfassungsdioden RC-IGBTs mit chipintegrierter Stromerfassung und Temperaturerfassung möglicherweise weniger Robust als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung.
  • IGBTs mit MOSFET-Stromerfassung und -Temperaturerfassung sind IGBTs, die anstelle eines separaten IGBT-Erfassungsemitters einige MOSFET-Zellen aufweisen, die zur Stromerfassung implementiert sind. Hintergrund dafür ist die hochgradig nichtlineare Ausgangskennlinie der IGBT-Zellen: wenn die Emitter-Erfassung mit einem Erfassungswiderstand verbunden ist, um den Erfassungsstrom durch den Spannungsabfall über den Widerstand zu messen, kann die Source-Referenz für die Emitterzellen durch den Spannungsabfall verschoben werden. Folglich kann der Laststrom durch die Erfassungstellen stark reduziert werden, aufgrund der steilen IV-Kurve (z.B. Strom-Spannung-Kurve). Somit kann das Verhältnis zwischen Last- und Strom-Erfassungsstrom sich stromabhängig ändern (Spannungsabfall über Erfassung), was zu einem hochgradig nichtlinearen Verhalten führt. Die Ausgangskennlinie der MOS-Zellen kann linear und weniger steil sein, somit kann die stromabhängige Fehlübereinstimmung von Last- und Erfassungszellenoperation reduziert werden.
  • Ein IGBT mit rückwärts leitenden Stromerfassungszellen kann eindeutig differenzierend sein zu dem IGBT mit MOSFET-Erfassungszellen, da der MOS-Stromsensor unterschiedliche Vorderseiten- (Emitter-) Zellstrukturen aufweisen kann und somit zwei unterschiedliche Zellentwürfe in einem Chip, was zu einem höheren Produktionsaufwand führen kann und ein ungleiches dynamisches Schaltverhalten zeigen kann. Ferner ist der MOS-Stromsensor möglicherweise kein rein unipolares Bauelement, was bedeuten kann, dass Löcherstrom auftreten kann und möglicherweise auch über die Lastzellenstrukturen entfernt werden muss. Ansonsten kann das Risiko für ein Latch-up der Bauelemente bestehen.
  • Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung können IGBTs mit MOSFET-Stromerfassung und -Temperaturerfassung gegenüber überlegen sein, da bei IGBTs mit MOSFET-Stromerfassung und Temperaturerfassung eine statische Differenz zwischen der Lastzelle-(IGBT) und der Erfassungszelle- (MOSFET) Ausgangskennlinie vorliegen kann, was zu einer systematischen Fehlübereinstimmung zwischen Erfassungs- und Laststrom führt. Ferner kann bei IGBTs mit MOSFET-Stromerfassung und -Temperaturerfassung ein unterschiedliches Verhalten von MOSFET- und IGBT-Schalten vorliegen. Es können dann längere Zeiten erforderlich sein, um stabile Signale zu erhalten. Ferner, im Vergleich zu Ausftihrungsbeispielen dieser Offenbarung, können zusätzliche Prozessschichten während der IGBT-Herstellung (z.B. für die Temperaturerfassungsdioden) für die IGBTs mit MOSFET-Stromerfassung und -Temperaturerfassung erforderlich sein. Ferner sind aufgrund der schwachen ESD-Robustheit der Temperaturerfassungsdioden IGBTs mit MOSFET-Stromerfassung und -Temperaturerfassung möglicherweise weniger Robust als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung. Ferner kann bei IGBTs mit MOSFET-Stromerfassung und -Temperaturerfassung ein Vorderseiten- (Emitter-) Zellentwurf für Last- und Erfassungs-Zellen unterschiedlich sein und kann somit mehr Entwurfs- und Herstellungs-Aufwand erfordern.
  • Bei höheren Arbeitsspannungen (z.B. größer als 200 V) können IGBTs und Dioden Halbleiter sein, die bei Leistungselektroniksystemen (DC/DC-, AC/DC-, DC/AC- und AC/AC-Wandler) aufgrund ihres überlegenen Sperr- und Leit-/Schalt-Verhaltens verwendet werden. Bei einer Anwendung, für die Steuerung und Überwachung solcher Leistungselektroniksysteme, kann es erwünscht sein, die Spannung, den Strom und die Temperatur bei den Schaltern zu bestimmen. Zum Repräsentieren der elektrischen Schlüsselkomponenten wird es häufig bevorzugt, Spannungen, Temperaturen und Ströme in dem Schalter direkt zu messen als sie nur zu schätzen (z.B. wenn sie. extern gemessen werden). Obwohl Spannungen relativ einfach gemessen werden können, kann die Aufgabe komplexer werden, wenn Ströme und Temperaturen gemessen werden müssen. Die Aufgabe kann sogar noch komplexer werden, wenn diese Parameter direkt in/auf diesen Schlüsselkomponenten (IGBTs, Dioden) gemessen werden müssen.
  • Um zumindest einige dieser Aufgaben anzugehen wird ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) mit rückwärts leitendem (RC) Strom-Erfassungsemitter gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Der Teil (z.B. der IGBT mit rückwärts leitendem Stromerfassungsemitter) kann zum Erfassen von Strom in positiver und negativer Richtung (z.B. während eines Vorwärts- und/oder Rückwärts-Operationsmodus) verwendet werden und zusätzlich kann der rückwärts leitende Stromerfassungsemitter auch für eine chipinterne Temperaturerfassung verwendet werden.
  • Zusätzliche Temperaturerfassungsdioden oder zusätzliche Anschlussflächen/Verbindungen können vermieden werden. Das vorgeschlagene IGBT-Konzept kann einfacher für die Herstellung sein. Ferner wird das IGBT-Verhalten möglicherweise nicht zwischen Vorwärts- und Rückwärts-Operation beeinträchtigt (z.B. Lebensdauer-Vernichtung für Diodenoperation, was zu höherem Vcesat für die IGBT-Operation führt), im Vergleich zu anderen rückwärts leitenden Konzepten, da möglicherweise nur wenige Erfassungszellen (z.B. eine Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen) als rückwärts leitender IGBT entworfen sind. Die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen kann mit dem rückwärts leitenden Stromerfassungsemitter (z.B. einer zweiten Emitterelektrode des vorgeschlagenen IGBT) verbunden sein. Der IGBT benötigt möglicherweise keine speziellen Gate-Antriebs-Strukturen (im Vergleich zu RC-IGBTs) wenn der vorgeschlagene IGBT nur mit chipintegrierter Stromerfassung verwendet wird. Einfache Niedrigspannungs-Signalverarbeitung und einfache Strukturen können ebenfalls an den IGBT mit einem rückwärts leitenden Stromerfassungsemitter bereitgestellt werden, wenn zusätzlich ein (optionales) Temperaturerfassungsmerkmal erwünscht ist.
  • Lastzellen (z. B. eine Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen) des IGBT mit einem rückwärts leitenden Stromerfassungsemitter können in Graben-Technik strukturiert sein, aber auch in Mikrostruktur-Graben-Technik. Die Lastzellen können mit einer ersten Emitterelektrode des vorgeschlagenen IGBT verbunden sein. Die IGBT-Lastzellen leiten möglicherweise nicht in Rückwärtsrichtung (können z.B. ausgebildet sein zum Blockieren von Strom während des Rückwärts-Operationsmodus) und somit kann zusätzlich eine antiparallele Diode zum Freilaufen bereitgestellt sein. Der vorgeschlagene IGBT kann vollständig optimiert sein (Blockieren, Leiten und Schalten) und auch die antiparallele Diode (oder antiparallele Dioden) können für ihren Zweck optimiert sein (z.B. zum Freilaufen).
  • Die separat verbundenen Erfassungsemitterzellen (z.B. die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen) können als rückwärts leitender IGBT strukturiert sein. Zum Beispiel können nur die separat verbundenen Erfassungsemitterzellen als rückwärts leitender IGBT strukturiert sein. Diese Erfassungszellen können somit ein schlechteres Verhalten zeigen, können aber trotzdem nur einen sehr geringen Strombetrag für die Signalverarbeitung leiten (Strom - und optionaler Temperatur-Erfassungszweck). Somit wird ein schlechteres Verhalten bei diesen Erfassungszellen möglicherweise nicht als Nachteil für das Systemverhalten betrachtet.
  • In der Freilaufphase (z.B. während des Rückwärts-Operationsmodus) kann die antiparallele Diode leiten und die IGBT-Lastzellen könnten möglicherweise nicht leiten (z.B. die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen). Aber gemäß der Leitfähigkeit der rückwärts leitenden Stromerfassungs-IGBT-Zellen (z.B. der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen) kann ein geringer Betrag eines freilaufenden Stroms in der Rückwärtsrichtung fließen und folglich kann auch ein freilaufender Strom (z.B. ein Rückwärtsstrom) in dem System erfasst werden..
  • Der Last-IGBT (z.B. die Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen) leitet nicht in der Freilaufphase (z.B. während des Rückwärts-Operationsmodus) und somit stören Ladungsträger aus dem Last-IGBT nicht die Erfassungszellen-Operation. Aufgrund dieser Kombination aus IGBT (z.B. der Mehrzahl von FC-IGBT-Zellen) und RC-Erfassungs-IGBT (z.B. der Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen) ist es auch möglich, diese Erfassungsemitterzellen (z.B. die Mehrzahl von RC-IGBT-Zellen) mit einem unterschiedlichen Spannungspotential zu verbinden und z.B. eine Stromquelle anzuschließen; um die Temperatur des IGBT zu messen (z.B. herzuleiten). Für den vorgeschlagenen IGBT können Herstellungsprozesse einfacher sein als für andere IGBT-Bauelemente, da die Strukturierung der Erfassungs- und Last-Zellen ähnlich sein kann und dedizierte Prozesse für Dioden (z.B. Temperaturerfassungsdioden) vermieden werden können. Das Verwenden des Erfassungsemitters für eine Temperaturmessung kann ein optionales Merkmal sein (z.B. für kostengünstige Systeme, die einen minimalen Aufwand für Gate-Treiber, Signalverarbeitung, etc. erfordern).
  • Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
  • Beispiele können weiterhin ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen eines oder mehrerer der obigen Verfahren bereitstellen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird. Schritte, Operationen oder Prozesse von verschiedenen, oben beschriebenen Verfahren können durch programmierte Computer oder Prozessoren ausgeführt werden. Beispiele können auch Programmspeichervorrichtungen, z. B. Digitaldatenspeichermedien, abdecken, die maschinen-, prozessor- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme von Anweisungen codieren. Die Anweisungen führen einige oder alle der Schritte der oben beschriebenen Verfahren aus oder verursachen deren Ausführung. Die Programmspeichervorrichtungen können z. B. Digitalspeicher, magnetische Speichermedien wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeichermedien umfassen oder sein. Weitere Beispiele können auch Computer, Prozessoren oder Steuereinheiten, die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, oder (feld-)programmierbare Logik-Arrays ((F)PLAs = (Field) Programmable Logic Arrays) oder (feld-)programmierbare Gate-Arrays ((F)PGA = (Field) Programmable Gate Arrays), die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, abdecken.
  • Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein detailliertes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch eine Vorrichtung implementiert werden, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
  • Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.

Claims (17)

  1. Ein Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400), umfassend: eine Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate, wobei die Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ausgebildet ist, um einen Strom in einem Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements (100, 200-C, 400) zu leiten und einen Strom in einem Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements (100, 200-C, 400) zu sperren; eine Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolar-Transistorzellen mit isoliertem Gate, wobei die Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ausgebildet ist, um einen Strom sowohl in dem Vorwärts-Operationsmodus als auch in dem Rückwärts-Operationsmodus zu leiten; eine erste Emitterelektrode (104-1); und eine zweite Emitterelektrode (104-2), wobei die erste Emitterelektrode (104-1) elektrisch mit zumindest einer der Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate verbunden ist, und wobei die zweite Emitterelektrode (104-2) elektrisch mit zumindest einer der Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate verbunden ist, wobei die Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate die Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate lateral umgibt.
  2. Ein Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400), umfassend: eine Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate, wobei die Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ausgebildet ist, um mehr als 70% eines Gesamtstroms, der in einem Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements (100, 200-C, 400) durch das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) fließt, zu leiten und einen Strom in einem Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements (100, 200-C, 400) zu sperren; eine Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolar-Transistorzellen mit isoliertem Gate, wobei die Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ausgebildet ist, um einen Strom sowohl in dem Vorwärts-Operationsmodus als auch in dem Rückwärts-Operationsmodus zu leiten; eine erste Emitterelektrode (104-1); und eine zweite Emitterelektrode (104-2), wobei die erste Emitterelektrode (104-1) elektrisch mit zumindest einer der Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate verbunden ist, und wobei die zweite Emitterelektrode (104-2) elektrisch mit zumindest einer der Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate verbunden ist.
  3. Das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Gesamtanzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate des Halbleiterbauelements (100, 200-C, 400) zumindest zweimal so groß ist wie eine Gesamtanzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate des Halbleiterbauelements (100, 200-C, 400).
  4. Das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Vorwärts-Operationsmodus die Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ausgebildet ist, um höchstens 30% eines Gesamtstroms durch das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) zu leiten.
  5. Das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Rückwärts-Operationsmodus die Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ausgebildet ist, um höchstens 30% eines Gesamtstroms durch das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) zu leiten.
  6. Das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate und die Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (102) des Halbleiterbauelements angeordnet sind.
  7. Das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei das Halbleitersubstrat (102) eine Kollektor-Dotierungsregion (134) eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine Drift-Dotierungsregion (122) eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei die Kollektor-Dotierungsregion (134) die Drift-Dotierungsregion (122) von einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats (102) innerhalb einer vorwärts leitenden Bipolartransistorzelle mit isoliertem Gate trennt, wobei die Drift-Dotierungsregion (122) sich vertikal zu der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats innerhalb einer rückwärts leitenden Bipolartransistorzelle mit isoliertem Gate erstreckt.
  8. Das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) gemäß Anspruch 7, wobei eine minimale laterale Distanz entlang der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats (102) von jeglicher der Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate zu einem Abschnitt der Drift-Dotierungsregion (122), der an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats (102) angeordnet ist, größer ist als 1 µm.
  9. Das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei zumindest einige der Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate lateral benachbart zueinander angeordnet sind, wobei eine maximale Breite der Drift-Dotierungsregion (122) an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats größer ist als ein Zellenabstand der benachbart angeordneten rückwärts leitenden Bipolar-Transistorzellen mit isoliertem Gate.
  10. Das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Diode extern sowohl zu der Mehrzahl (110) von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate als auch der Mehrzahl (120) von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate, wobei die Diode ausgebildet ist, um zumindest 70% eines Gesamtstroms durch das Halbleiterbauelement (100, 200-C, 400) während des Rückwärts-Operationsmodus zu leiten.
  11. Ein Verfahren (600) zum Betreiben eines Halbleiterbauelements, das Verfahren umfassend: Koppeln (610) eines Widerstands zwischen eine erste Emitterelektrode, die elektrisch verbunden ist mit einer Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate des Halbleiterbauelements, und eine zweite Emitterelektrode, die elektrisch verbunden ist mit einer Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate des Halbleiterbauelements; Leiten (620) von zumindest einem Bruchteil eines Rückwärtsstroms des Halbleiterbauelements durch die Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate während eines Rückwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements; Bestimmen (630) einer Spannung über den Widerstand während des Rückwärts-Operationsmodus; Herleiten (640) einer Größe des Rückwärtsstroms basierend auf der Spannung über den Widerstand.
  12. Das Verfahren (600) gemäß Anspruch 11, wobei das Herleiten (640) der Größe des Rückwärtsstroms das Herleiten einer Größe des Bruchteils des Rückwärtsstroms durch die Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate und das Skalieren der Größe des Bruchteils des Rückwärtsstroms um einen Rückwärtsstrom-Skalierungsfaktor aufweisen kann, wobei der Rückwärtsstrom-Skalierungsfaktor auf einem Verhältnis eines gesamten lateralen Bereichs der Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate zu einem lateralen Bereich der Diode basiert, der extern zu der Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate und der Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate ist und zwischen die erste Emitterelektrode und eine Kollektorelektrode des Halbleiterbauelements gekoppelt ist.
  13. Das Verfahren (600) gemäß Anspruch 11 oder 12, ferner umfassend ein Leiten eines Vorwärtsstroms des Halbleiterbauelements durch die Mehrzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate und die Mehrzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate während eines Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements; Bestimmen einer zweiten Spannung über den Widerstand während des Vorwärts-Operationsmodus; Herleiten einer Größe des Vorwärtsstroms basierend auf der zweiten Spannung über den Widerstand.
  14. Das Verfahren (600) gemäß Anspruch 13, wobei das Herleiten der Größe des Vorwärtsstroms das Herleiten einer Größe eines Bruchteils des Vorwärtsstroms, der durch den Widerstand fließt, und das Skalieren der Größe des Bruchteils des Vorwärtsstroms um einen Vorwärtsstrom-Skalierungsfaktor aufweist, wobei der Vorwärtsstrom-Skalierungsfaktor auf einem Verhältnis einer Gesamtanzahl von vorwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate zu einer Gesamtanzahl von rückwärts leitenden Bipolartransistorzellen mit isoliertem Gate basiert.
  15. Das Verfahren (600) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner umfassend das Koppeln einer elektrischen Quelle zwischen die erste und die zweite Emitterelektrode während des Rückwärts-Operationsmodus, Bestimmen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode während des Rückwärts-Operationsmodus; Herleiten einer Temperatur des Halbleiterbauelements basierend auf der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode.
  16. Das Verfahren (600) gemäß Anspruch 15, ferner umfassend das Einstellen einer Gate-Spannung des Halbleiterbauelements auf einen ersten Wert während eines Vorwärts-Operationsmodus des Halbleiterbauelements, und Einstellen der Gate-Spannung auf einen zweiten Wert beim Bestimmen der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode, wobei der zweite Wert kleiner ist als der erste Wert und größer ist als eine Schwellenspannung des Halbleiterbauelements.
  17. Das Verfahren (600) gemäß Anspruch 15, ferner umfassend das Reduzieren einer Gate-Spannung des Halbleiterbauelements unter eine Schwellenspannung des Halbleiterbauelements beim Bestimmen der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Emitterelektrode.
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