DE102018106967B3 - SILIZIUMCARBID HALBLEITERBAUELEMENT und Halbleiterdiode - Google Patents

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Abstract

Ein Halbleiterbauelement (500) weist einen SiC Halbleiterkörper (100) auf. In dem SiC Halbleiterkörper (100) sind eine Driftzone (131) von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet (120, 140) ausgebildet. Barrierestrukturen (180), die sich von dem Halbleitergebiet (120, 140) in die Driftzone (131) erstrecken, unterscheiden sich von den Gatestrukturen (150).

Description

  • TECHNISCHES FELD
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft SiC(Siliziumcarbid)-Halbleiterbauelemente, beispielsweise Halbleiterschalter mit niedrigem Einschaltwiderstand und hoher Spannungsfestigkeit, sowie Halbleiterdioden.
  • HINTERGRUND
  • Halbleiterbauelemente können eine vergleichsweise schwach dotierte Driftzone aufweisen, die im Sperrfall das im Halbleiterbauelement wirksame elektrische Feld abbaut. Dotierung und vertikale Ausdehnung der Driftzone werden entsprechend der nominalen Sperrfähigkeit des Halbleiterbauelements ausgelegt. Der elektrische Widerstand der Driftzone bestimmt maßgeblich den Einschaltwiderstand und damit die statischen Verluste des Halbleiterbauelements.
  • Die Druckschrift JP 2016 - 82 197 A beschreibt eine Grabenstruktur, die sich von der Oberfläche einer epitaktischen IC-Schicht aus in die epitaktische Schicht hinein erstreckt, wobei eine horizontale Längsachse der Grabenstruktur parallel zur <11-20> Gitterrichtung in der epitaktischen Schicht verläuft. Die Druckschrift US 2017 / 0 077 299 A1 beschreibt einen SiC-TMOSFET, bei dem zwischen benachbarten Transistorzellen tiefe Kontaktgräben ausgebildet sind, die Schottky-Kontakte ausbilden können.
  • Es wird allgemein angestrebt, Avalanche-Robustheit, Durchbruchsfestigkeit und Einschaltwiderstand von SiC-Halbleiterbauelementen zu verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG der Erfindung
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem SiC Halbleiterkörper, in dem eine Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet ausgebildet sind. Das Halbleiterbauelement weist Gatestrukturen und Barrierestrukturen auf, wobei sich die Barrierestrukturen von dem Halbleitergebiet aus in die Driftzone erstrecken. Die Barrierestrukturen unterscheiden sich von den Gatestrukturen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Halbleiterdiode mit einem SiC Halbleiterkörper. In dem SiC Halbleiterkörper sind eine Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet ausgebildet. Barrierestrukturen erstrecken sich von dem Halbleitergebiet aus in die Driftzone.
  • Weitere Merkmale und Vorteile des offenbarten Gegenstands erschließen sich dem Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie aus den Zeichnungen.
  • Figurenliste
  • Die beigefügten Zeichnungen vermitteln ein tiefergehendes Verständnis von Ausführungsbeispielen für ein Siliziumcarbid Halbleiterbauelement, sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen lediglich Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern deren Prinzipien. Das hier beschriebene Siliziumcarbid Halbleiterbauelement ist somit nicht durch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele auf dieses beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele und beabsichtigte Vorteile ergeben sich aus dem Verständnis der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie aus Kombinationen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele, selbst wenn diese nicht explizit beschrieben sind. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
    • 1A-1B zeigen einen vertikalen und einen horizontalen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform, bei der Barrierestrukturen und Gatestrukturen auf der gleichen Seite eines SiC Halbleiterkörpers ausgebildet sind.
    • 1C-1D zeigen einen vertikalen und einen horizontalen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform, bei der Barrierestrukturen und Gatestrukturen auf einander gegenüberliegenden Seiten eines SiC Halbleiterkörpers ausgebildet sind.
    • 2A-2B zeigen schematische vertikale Querschnitte durch Halbleiterbauelemente gemäß Ausführungsformen mit Barrierestrukturen an einem pn Übergang und an einem unipolaren Übergang.
    • 2C zeigt einen schematischen horizontalen Querschnitt durch die Ausführungsformen nach 2A und 2B.
    • 3 zeigt ein schematisches Diagramm mit vertikalen Dotierstoffkonzentrationsverläufen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
    • 4A-4B zeigen schematische vertikale Querschnitte durch SiC Halbleiterbauelemente mit Barrierestrukturen auf einer Bauteilvorderseite und/oder auf einer Bauteilrückseite gemäß Ausführungsformen mit planaren Gatestrukturen.
    • 5 zeigt einen schematischen vertikalen Querschnitt durch ein SiC Halbleiterbauelement mit Barrierestrukturen auf einer Bauteilvorderseite gemäß einer Ausführungsform mit Gatestrukturen mit V-förmiger vertikaler Querschnittsfläche.
    • 6 zeigt einen schematischen vertikalen Querschnitt durch ein SiC Halbleiterbauelement mit Barrierestrukturen auf einer Bauteilvorderseite gemäß einer Ausführungsform mit Transistorzellen mit einseitigem Inversionskanal.
    • 7 zeigt einen schematischen vertikalen Querschnitt durch ein SiC Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform mit Barrierestrukturen, die sich von den Gatestrukturen strukturell und/oder durch Fehlen eines elektrischen Anschlusses unterscheiden.
    • 8A-8D zeigen schematische vertikale Querschnitte durch Halbleiterdioden mit Barrierestrukturen gemäß anderen Ausführungsformen.
    • 9A-9B zeigen schematische vertikale Querschnitte durch Halbleiterdioden mit Barrierestrukturen gemäß Ausführungsformen mit MPS (merged pin-Schottky) Diodenstruktur.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele eines Halbleiterbauelements gezeigt sind. Die Existenz weiterer Ausführungsbeispiele versteht sich von selbst. Ebenso versteht es sich von selbst, dass an den Ausführungsbeispielen strukturelle und/oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei von dem durch die Patentansprüche Definierten abgewichen wird. Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist insoweit nicht begrenzend. Insbesondere können Merkmale von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Merkmalen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
  • Bei den Begriffen „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen handelt es sich im Folgenden um offene Begriffe, die einerseits auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, andererseits das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
  • Der Begriff oder Ausdruck „elektrisch verbunden“ beschreibt eine niederohmige Verbindung zwischen den elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Ausdruck „elektrisch gekoppelt“ schließt ein, dass ein oder mehrere dazwischen liegende und zur Signal- oder Energieübertragung geeignete Elemente zwischen den „elektrisch gekoppelten“ Elementen vorhanden sein können, bspw. Elemente die so steuerbar sind, dass sie abwechselnd eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige Entkopplung in einem zweiten Zustand herstellen können.
  • Manche Figuren stellen durch die Angabe „-“ oder „+“ neben dem Dotiertyp relative Dotierstoffkonzentrationen dar. Beispielsweise weist die Bezeichnung „n-“ auf eine Dotierstoffkonzentration hin, die kleiner ist als die Dotierstoffkonzentration eines „n“-dotierten Gebiets, während ein „n+“-dotiertes Gebiet eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweist als das „n“dotierte Gebiet. Die Angabe der relativen Dotierstoffkonzentration bedeutet nicht, dass dotierte Gebiete mit derselben relativen Dotierstoffkonzentrationsangabe dieselbe absolute Dotierstoffkonzentration aufweisen müssen, sofern nichts anderes ausgesagt ist. Demnach können zwei verschiedene „n“-dotierte Gebiete die gleiche oder unterschiedliche absolute Dotierstoffkonzentrationen aufweisen.
  • Wird für eine physikalische Größe ein Wertebereich mit der Angabe eines Grenzwerts oder zweier Grenzwerte definiert, dann schließen die Präpositionen „von“ und „bis“ und die Zahlwörter „weniger“ und „mehr“ den jeweiligen Grenzwert mit ein. Eine Angabe der Art „von ... bis“ versteht sich demnach als „von mindestens ... bis höchstens“. Entsprechend versteht sich eine Angabe der Art „weniger ...“ („mehr ...“) als „höchstens ...“ („wenigstens ...“) .
  • Hauptbestandteile einer Schicht oder Struktur aus einer chemischen Verbindung bilden die Elemente, deren Atome die chemische Verbindung eingehen. Beispielsweise sind Silizium und Kohlenstoff die Hauptbestandteile eines Siliziumcarbidkristalls.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement weist einen SiC Halbleiterkörper auf, in dem eine Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet ausgebildet sind. Das Halbleiterbauelement weist Gatestrukturen und Barrierestrukturen auf, wobei sich die Barrierestrukturen von dem Halbleitergebiet aus in die Driftzone erstrecken.
  • Die Driftzone baut im Sperrfall den überwiegenden Teil des im Halbleiterkörper wirksamen elektrischen Feldes ab. Dotierung und vertikale Ausdehnung der Driftzone werden entsprechend der nominalen Sperrfähigkeit des Halbleiterbauelements ausgelegt.
  • Die Gatestrukturen können jeweils mindestens eine vom SiC Halbleiterkörper isolierte elektrisch leitfähige Gateelektrode und ein Gatedielektrikum zwischen der Gateelektrode und mindestens einem Bodygebiet einer Transistorzelle umfassen. Ein elektrisches Potential der Gateelektrode steuert die Ausbildung eines Inversionskanals im Bodygebiet der Transistorzelle.
  • Das Halbleitergebiet kann ein zusammenhängend ausgebildetes dotiertes Gebiet sein oder mehrere dotierte Gebiete umfassen, die räumlich voneinander getrennt sein können. Beispielsweise kann das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet von einem zweiten, zum ersten Leitfähigkeitstyp komplementären Leitfähigkeitstyp aufweisen, wobei das dotierte Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp ein zusammenhängendes Gebiet sein kann oder mehrere voneinander räumlich getrennte Teilgebiete umfassen kann. Alternativ oder zusätzlich zu dem dotierten Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp kann das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen, wobei das dotierte Gebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp ein zusammenhängendes Gebiet sein kann oder mehrere voneinander räumlich getrennte Teilgebiete umfassen kann.
  • Das Halbleitergebiet kann an einer die Gatestrukturen aufweisenden ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers angeordnet sein. Alternativ kann das Halbleitergebiet an einer der ersten Oberfläche abgewandten zweiten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers angebracht sein. Es ist möglich, dass der SiC Halbleiterkörper sowohl an der ersten Oberfläche als auch an der zweiten Oberfläche jeweils ein Halbleitergebiet aufweist, wobei sich die beiden an entgegengesetzten Oberflächen angeordneten Halbleitergebiete in der Dotierung unterscheiden können. Zumindest eines der beiden Halbleitergebiete kann dann Barrierestrukturen aufweisen.
  • Es ist möglich, dass das Halbleiterbauelement weniger Barrierestrukturen als Gatestrukturen aufweist. Dies kann dann der Fall sein, wenn das Halbleiterbauelement ausschließlich an der ersten Oberfläche Barrierestrukturen aufweist. Alternativ kann das Halbleiterbauelement gleich viele Barrierestrukturen wie Gatestrukturen aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass das Halbleiterbauelement mehr Barrierestrukturen als Gatestrukturen aufweist, zum Beispiel wenn die Barrierestrukturen sowohl an der ersten als auch an der zweiten Oberfläche angeordnet sind.
  • Das Halbleitergebiet kann einen Übergang mit der Driftzone bilden. Der Übergang kann einen pn-Übergang und/oder einen unipolaren Übergang (im Folgenden auch „jn-Übergang“) aufweisen. Als pn-Übergang wird im Folgenden eine Grenzfläche verstanden, entlang der sich die Dotierungen von zwei aneinandergrenzenden und komplementär dotierten Gebieten gerade aufheben. Als unipolarer Übergang wird im Folgenden eine Fläche verstanden, die zwischen zwei dotierten Gebieten vom gleichen Leitfähigkeitstyp und mit unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen Punkte verbindet, an denen eine Dotierstoffkonzentrationsänderung ein Maximum aufweist.
  • Die Barrierestrukturen unterscheiden sich strukturell von den Gatestrukturen. Insbesondere üben die Barrierestrukturen bei Betrieb des Halbleiterbauteils innerhalb der Absolutgrenzdaten (Englisch: absolute maximum ratings) keine steuernde Wirkung aus. Die Barrierestrukturen weisen z.B. keine leitfähige Struktur auf. Insoweit die Barrierestrukturen eine leitfähige Struktur aufweisen, lässt sich deren elektrisches Potential nicht steuern und/oder eine Änderung des elektrischen Potentials führt bei Betrieb innerhalb der Absolutgrenzdaten nicht zum Ausbilden von Inversionskanälen. Die Barrierestrukturen sind demnach frei von einer elektrischen Ansteuerfunktion und/oder einer elektrischen Steuerfunktion für das Halbleiterbauelement. Die Barrierestrukturen können leitfähige Strukturen aufweisen, die von der Gateelektrode und von Lastanschlüssen des Halbleiterbauelements elektrisch isoliert sind. Die Barrierestrukturen können leitfähige Strukturen aufweisen, die mit einem der Lastanschlüsse des Halbleiterbauelements elektrisch verbunden und gegen den SiC Halbleiterkörper elektrisch isoliert sind. Es ist aber auch möglich, dass die Barrierestrukturen ausschließlich aus elektrisch isolierenden und/oder halbleitenden Materialien gebildet sind.
  • Beispielsweise sind die Barrierestrukturen aus einem Material gebildet, das sich vom Material der Driftzone in mindestens einem anderen Merkmal als dem Dotiertyp und/oder der Dotierstoffkonzentration unterscheidet, so dass sich Gitterebenen des SiC Halbleiterkörpers, z.B. (0001) Gitterebenen eines 4H-SiC Kristalls, nicht in die Barrierestruktur hinein fortsetzen, sondern an den Barrierestrukturen enden. Die Barrierestrukturen können das Ausbreiten von Kristallfehlern entlang solcher Gitterebenen blockieren.
  • Die Barrierestrukturen können Silizium und Kohlenstoff als einzige Hauptbestandteile enthalten und dabei eine andere Kristallisierungsform oder einen anderen Polytyp aufweisen als der SiC Kristall der Driftzone. Beispielsweise können die Barrierestrukturen mindestens einen anderen Hauptbestandteil als Silizium und Kohlenstoff aufweisen und/oder die Barrierestrukturen können überwiegend aus einem oder mehreren dielektrischen Materialien bestehen.
  • Fließt durch die Driftzone ein bipolarer Ladungsträgerfluss aus Löchern und Elektronen, so kann es insbesondere in der Nähe von pn-Übergängen und unipolaren Übergängen zu einer Rekombination von Löchern und Elektronen in nicht mehr unerheblichen Umfang kommen. Die dabei freiwerdende Energie fördert das Wachstum kristallographischer Defekte. Beispielsweise können Versetzungen zwischen Gitterebenen (basal plane dislocations, BPDs) in Stapelfehler (Shockley stacking faults, SSFs) transformieren, die sich in Siliziumcarbid entlang von Gitterebenen fortsetzen. Die Kristallfehler können dann im Wesentlichen quer zur Hauptstromflussrichtung in der Driftzone hineinwachsen und somit einen vertikalen Stromfluss durch die Driftzone behindern. Die Gitterebenen können dabei in einem Winkel zwischen 2° und 10° zu pn Übergängen und unipolaren Übergängen der Driftzone verlaufen.
  • Die Barrierestrukturen, die sich ausgehend von pn-Übergängen und/oder unipolaren Übergängen in die Driftzone erstrecken schließen die Gitterebenen des SiC Halbleiterkörpers, z.B. (0001) Gitterebenen eines 4H-SiC Kristalls, ab. Das Wachstum der Kristallfehler endet an den Barrierestrukturen und kann sich nicht durch die Barrierestrukturen hindurch fortsetzen. Dadurch bilden die Barrierestrukturen physikalische Barrieren für das Ausbreiten von Kristallfehlern entlang solcher Gitterebenen. Die Barrierestrukturen beschränken das Wachstum der Kristallfehler auf einen schmalen vertikalen Abschnitt der Driftzone am Übergang zum Halbleitergebiet und beschränken damit das maximale Ausmaß der bipolaren Degradation.
  • Die Gatestrukturen können planare Gatestrukturen sein, die auf einer der beiden Oberflächen des SiC Halbleiterkörpers ausgebildet sind oder Grabenstrukturen, die sich von einer ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers aus in den SiC Halbleiterkörper erstrecken.
  • Das Halbleitergebiet kann ein zwischen der Driftzone und der ersten Oberfläche ausgebildetes Gebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfassen. Hierbei ist es möglich, dass sich die Barrierestrukturen von der ersten Oberfläche aus durch das Halbleitergebiet erstrecken. Die Barrierestrukturen können jedoch auch zur ersten Oberfläche beabstandet sein. Ein erster Abstand zwischen einer Unterkante der Barrierestruktur und der ersten Oberfläche kann größer sein als ein zweiter Abstand zwischen einer Unterkante der Gatestrukturen und der ersten Oberfläche. Die Barrierestrukturen reichen demnach tiefer in die Driftzone hinein als die Gatestrukturen, so dass die Barrierestrukturen das Ausbreiten von Gitterdefekten in die Driftzone in einem höheren Maß unterdrücken können als die Gatestrukturen.
  • Ein erster Abstand zwischen einer Unterkante der Barrierestrukturen und der ersten Oberfläche kann größer sein als ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche und einem zwischen der ersten Oberfläche und der Driftzone ausgebildeten und von der ersten Oberfläche am weitesten beabstandeten pn-Übergang, so dass die Barrierestrukturen ihre Wirkung auf alle pn-Übergänge an der Bauteilvorderseite (d.h. der ersten Oberfläche) entfalten können.
  • Ein lateraler Abstand zwischen benachbarten Barrierestrukturen und eine vertikale Ausdehnung der Barrierestrukturen in der Driftzone können so bemessen sein, dass mindestens 90% der Hauptgitterebenen, beispielsweise alle Hauptgitterebenen, die einen zwischen der Driftzone und dem Halbleitergebiet ausgebildeten Übergang zwischen zwei Barrierestrukturen unter einem Winkel schneiden, der kleiner ist als 10°, in der Driftzone an eine der Barrierestrukturen angrenzen.
  • Die Hauptgitterebenen eines Kristalls sind Gitterebenen mit hoher atomarer Packungsdichte. In einem SiC Kristall mit hexagonaler Kristallstruktur bilden u.a. die (0001), (11-20) und (1-100) Gitterebenen solche Hauptgitterebenen. Der Polytyp des SiC Halbleiterkörpers kann beispielsweise 4H und die Hauptgitterebenen, die den Übergang unter einem Winkel von höchstens 10° schneiden, können (0001) Gitterebenen sein.
  • Der Übergang zwischen Halbleitergebiet und Driftzone kann parallel zur ersten Oberfläche und/oder zu der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche verlaufen und kann z.B. durch die Barrierestrukturen oder andere dotierte Gebiete unterbrochen sein. Bezogen auf die vertikale Ausdehnung der Driftzone weist die Rekombinationsrate im Bereich des Übergangs jeweils einen lokalen Maximalwert auf.
  • Mit dem angegebenen Verhältnis von lateralem Abstand zwischen benachbarten Barrierestrukturen zur vertikalen Ausdehnung in der Driftzone werden Hauptgitterebenen, die einen Bereich hoher Rekombinationsrate schneiden, durch die Barrierestrukturen von einem Hauptteil der Driftzone unterhalb der Barrierestrukturen abgeschnitten, so dass genau solche Hauptgitterebenen, in denen die Wahrscheinlichkeit für sich ausbreitende Stapelfehler am höchsten ist, vom Hauptteil der Driftzone getrennt sind.
  • Die Volumendurchbruchfestigkeit der Barrierestrukturen kann mindestens 90% der Volumendurchbruchfestigkeit eines an die Barrierestrukturen anschließenden Teils der Driftzone betragen, so dass die Durchbruchspannung des Halbleiterbauelements durch die Barrierestrukturen nicht oder nur in geringem Maße beeinflusst wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform können die Barrierestrukturen polykristallines Siliziumcarbid, amorphes Siliziumcarbid, kristallines Siliziumcarbid von einem anderen Kristalltyp als dem der Driftzone und/oder kristallines Siliziumcarbid von einem anderen Polytyp als das der Driftzone aufweisen. Die Barrierestrukturen sind in ihrem thermischen Verhalten dem SiC Halbleiterkörper in einem Maß ähnlich, dass durch die Barrierestrukturen nur sehr geringfügig zusätzliche thermomechanische Spannungen erzeugt werden.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung betreffen eine Halbleiterdiode mit einem SiC Halbleiterkörper. In dem SiC Halbleiterkörper sind eine Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet ausgebildet. Barrierestrukturen erstrecken sich von dem Halbleitergebiet aus in die Driftzone.
  • Die Barrierestrukturen einer hier beschriebenen Halbleiterdiode können ähnliche oder gleiche Eigenschaften wie die Barrierestrukturen eines hier beschriebenen Halbleiterbauelements aufweisen. Das heißt, das im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen des Halbleiterbauelements in Bezug auf die Barrierestrukturen Offenbarte gilt sinngemäß auch für die Ausführungsbeispiele der Halbleiterdiode und umgekehrt.
  • Bei Polung in Flussrichtung fließt durch die Driftzone ein bipolarer Strom. Die Rekombination von Elektronen und Löchern an bestimmten Kristalldefekten kann linienhafte Defekte, z.B. BPDs in flächige Defekte z.B. SSFs transformieren, die zu einem signifikanten Anstieg der statischen Verluste im Vorwärtsbetrieb der Diode führen. Die Barrierestrukturen formen physikalische Barrieren, die die SiC Kristallstruktur lokal unterbrechen und die Ausbreitung von Kristallfehlern entlang der Gitterebenen stoppen.
  • Die 1A bis 1D zeigen Halbleiterbauelemente 500, die beispielsweise IGFETs (Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate), zum Beispiel MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-FET) sein können, wobei die Abkürzung MOSFET sowohl für FETs mit metallischer Gateelektrode als auch für FETs mit Halbleiter-Gateelektrode steht. Die Halbleiterbauelemente 500 können auch IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) oder MCDs (MOS-gesteuerte Dioden) sein.
  • Die Halbleiterbauelemente 500 basieren jeweils auf einem mit Siliziumcarbid gebildeten SiC Halbleiterkörper 100. Beispielsweise weist der SiC Halbleiterkörper 100 einen Siliziumcarbid-kristall auf oder besteht aus einem solchen, wobei der Siliziumcarbidkristall neben den Hauptbestandteilen Silizium und Kohlenstoff Dotieratome und/oder Verunreinigungen, z.B. Wasserstoff- und/oder Sauerstoffatome aufweisen kann. Der Polytyp des Siliziumcarbidkristalls kann beispielsweise 4H sein.
  • Eine erste Oberfläche 101 auf einer Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100 ist planar oder gerippt. Eine Normale 104 auf eine planare erste Oberfläche 101 oder auf eine Mittelebene einer gerippten ersten Oberfläche 101 definiert eine vertikale Richtung. Richtungen parallel zu einer planaren ersten Oberfläche 101 oder zur Mittelebene einer gerippten ersten Oberfläche 101 sind horizontale und laterale Richtungen.
  • In dem SiC Halbleiterkörper 100 sind eine Driftzone 131 von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet 120, 140 ausgebildet. Das Halbleiterbauelement 500 weist Transistorzellen TC mit Gatestrukturen 150 sowie Barrierestrukturen 180 auf.
  • Die Transistorzellen TC mit den Gatestrukturen 150 sind auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100 ausgebildet, wobei jede Transistorzelle TC jeweils eine Gatestruktur 150 aufweisen kann. Die Gatestrukturen 150 können planare Gatestrukturen 150 sein, die auf der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sind, oder Grabengatestrukturen, die sich von der ersten Oberfläche 101 aus in den SiC Halbleiterkörper 100 erstrecken. Die Gatestrukturen 150 weisen jeweils mindestens eine leitfähige Gateelektrode auf, die vom SiC Halbleiterkörper 100 elektrisch isoliert ist. Die Gateelektroden der Transistorzellen TC können mit einem Gateanschluss G des Halbleiterbauelements 500 verbunden sein.
  • Die Driftzone 131 ist im SiC Halbleiterkörper 100 zwischen den Transistorzellen TC und der zweiten Oberfläche 102 ausgebildet. Ein im Sperrfall im SiC Halbleiterkörper 100 wirksames elektrisches Feld wird überwiegend in der Driftzone 131 abgebaut. Dotierung und vertikale Ausdehnung der Driftzone 131 werden entsprechend der nominalen Sperrfähigkeit des Halbleiterbauelements 500 ausgelegt. Die mittlere Dotierung in der Driftzone 131 hängt von der nominalen Sperrfähigkeit ab und kann für nominale Sperrspannungen zwischen 600 V und 3.3 kV in einem Bereich von 2 × 1015 cm-3 bis 5 × 1016 cm-3 liegen. Beispielsweise kann für ein SiC Halbleiterbauelement mit einer nominalen Durchbruchsspannung von 600V die Dotierung in einem Bereich von 1 × 1016 cm-3 bis 3 × 1016 cm-3 liegen. Die vertikale Ausdehnung der Driftzone 131 kann für ein Halbleiterbauelement 500 mit einer nominalen Durchbruchspannung (Engl.: breakdown voltage) von 600 V und einer mittleren Dotierung von etwa 2 × 1016 cm-3 in einem Bereich von 3 µm bis 10 µm liegen.
  • Das Halbleitergebiet 120, 140 kann ein zusammenhängend ausgebildetes dotiertes Gebiet sein oder mehrere dotierte Gebiete aufweisen, die räumlich voneinander getrennt sein können. Beispielsweise kann das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet 120 von einem zweiten, zum ersten Leitfähigkeitstyp komplementären Leitfähigkeitstyp aufweisen, wobei das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp ein zusammenhängendes Gebiet sein kann oder mehrere voneinander räumlich getrennte Teilgebiete umfassen kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Halbleitergebiet 120, 140 ein dotiertes Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen, wobei das dotierte Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp ein zusammenhängendes Gebiet sein kann oder mehrere voneinander räumlich getrennte Teilgebiete umfassen kann. Das Halbleitergebiet 120, 140 kann einen Übergang pn, jn mit der Driftzone 131 ausbilden.
  • Das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp kann zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Driftzone 131 ausgebildet sein. Beispielsweise kann das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp Bodygebiete der Transistorzellen TC umfassen, wobei die Bodygebiete Transistor-pn-Übergänge mit Sourcegebieten ausbilden, die jeweils zwischen einem Bodygebiet und der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sein können. Die Bodygebiete und die Sourcegebiete der Transistorzellen TC können mit einer ersten Lastelektrode 310 auf der Bauteilvorderseite verbunden sein. Die erste Lastelektrode 310 kann einen ersten Lastanschluss L1 des Halbleiterbauelements 500 ausbilden oder mit dem ersten Lastanschluss L1 elektrisch verbunden oder gekoppelt sein.
  • Alternativ oder zusätzlich zu den Bodygebieten kann das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp andere dotierte Gebiete aufweisen, beispielsweise Abschirmgebiete, die zum Beispiel an das elektrische Potential des ersten Lastanschlusses L1 angeschlossen sind und Teilstrukturen der Transistorzellen TC, beispielsweise die Gatestrukturen 150 oder sich von der ersten Oberfläche 101 in den SiC Halbleiterkörper 100 erstreckende Grabenkontakte abschirmen.
  • Das dotierte Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp kann zwischen der zweiten Oberfläche 101 und der Driftzone 131 ausgebildet sein und kann direkt an die zweite Oberfläche 102 und/oder direkt an die Driftzone 131 angrenzen. Das dotierte Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp kann einheitlich dotiert sein oder zwei oder mehr Teilschichten aufweisen, die sich bezüglich des Leitfähigkeitstyps und/oder der Dotierstoffkonzentration voneinander unterscheiden können. Beispielsweise kann das dotierte Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp ein hochdotiertes Basisgebiet entlang der zweiten Oberfläche 102 und zwischen dem hochdotierten Basisgebiet und der Driftzone 131 ein oder mehrere dotierte Teilschichten vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen, wobei eine maximale Dotierstoffkonzentration in den Teilschichten höher sein kann als eine maximale Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 131 und niedriger sein kann als im hochdotierten Basisgebiet.
  • Das dotierte Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp kann mit einer zweiten Lastelektrode 320 auf der Rückseite des SiC Halbleiterkörpers 100 elektrisch verbunden sein. Die zweite Lastelektrode 320 kann einen zweiten Lastanschluss L2 des Halbleiterbauelements 500 ausbilden oder kann mit einem zweiten Lastanschluss L2 elektrisch verbunden oder elektrisch gekoppelt sein.
  • Zwischen den Transistorzellen TC und der Driftzone 131 können weitere dotierte Gebiete vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131 ausgebildet sein, die höher dotiert sind als die Driftzone 131. Zum Beispiel können zwischen den Transistorzellen TC einerseits und der Driftzone 131 andererseits Stromverteilungsgebiete und/oder Barrierengebiete ausgebildet sein. Die Stromverteilungsgebiete können bspw. im eingeschalteten Zustand einen Ladungsträgerfluss für die Passage durch die Driftzone 131 in lateraler Richtung aufspreizen. Die Barrierengebiete können bspw. die Emittereffizienz von dotierten Gebieten, z.B. von Bodygebieten der Transistorzellen TC, einstellen.
  • Das Halbleitergebiet 120, 140 kann einen Übergang pn, jn mit der Driftzone 131 ausbilden. Der Übergang pn, jn kann einen pn-Übergang pn und/oder einen unipolaren Übergang jn umfassen. Beispielsweise kann das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp einen pn-Übergang pn mit der Driftzone 131 ausbilden. Das dotierte Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp kann einen unipolaren Übergang jn mit der Driftzone 131 ausbilden.
  • Vom Übergang pn, jn aus erstrecken sich Barrierestrukturen 180 in die Driftzone 131. Die Barrierestrukturen 180 können sich ausgehend vom Übergang pn, jn auch in das Halbleitergebiet 120, 140 fortsetzen.
  • Die Barrierestrukturen 180 unterscheiden sich strukturell von den Gatestrukturen 150. Insbesondere üben die Barrierestrukturen 180 bei Betrieb des Halbleiterbauteils 500 innerhalb der Absolutgrenzdaten keine steuernde Wirkung aus. Die Barrierestrukturen 180 weisen z.B. keine leitfähige Strukturen auf, oder solche leitfähige Strukturen, die von der Gateelektrode 155 elektrisch getrennt sind. Sofern Gatestrukturen 150 in die Driftzone 131 ragen, weisen Barrierestrukturen 180 auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100 eine größere vertikale Ausdehnung in der Driftzone 131 auf als solche Gatestrukturen 150.
  • Die Barrierestrukturen 180 können in einem ersten Mitte-zu-Mitte Abstand pt1 angeordnet sein. Die Gatestrukturen 150 können in einem zweiten Mitte-zu-Mitte Abstand pt2 angeordnet sein. Der erste Mitte-zu-Mitte Abstand pt1 kann größer sein als der zweite Mitte-zu-Mitte Abstand pt2, beispielsweise ein ganzzahliges Vielfaches des zweiten Mitte-zu-Mitte Abstands pt2 betragen. Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement 500 dann weniger Barrierestrukturen 180 an der ersten Oberfläche umfassen als Gatestrukturen 150. Der erste Mitte-zu-Mitte Abstand pt1 oder der zweite Mitte-zu-Mitte Abstand pt2 und/oder das Verhältnis des ersten Mitte-zu-Mitte Abstand pt1 zu dem zweiten Mitte-zu-Mitte Abstand pt2 können variieren, beispielsweise zur lateralen Mitte des SiC Halbleiterkörpers 100 hin größer oder kleiner werden.
  • Der SiC Halbleiterkörper 100 kann auf einem SiC Kristall beruhen, bei dem eine Hauptgitterebene 401, beispielsweise die (0001) Gitterebene eines hexagonalen Kristalls, den Übergang pn, jn unter einem Winkel α schneidet. Der Winkel α kann wenigstens 0°, beispielsweise mindestens 2°, und höchstens 10°, beispielsweise höchstens 8°, betragen.
  • Im rückwärts vorgespannten Zustand des Halbleiterbauelements 500 ist der pn-Übergang pn in Flussrichtung gepolt, so dass über den Übergang pn und das dotierte Gebiet 120 ein Rückwärtsstrom zwischen der zweiten Lastelektrode 320 und der ersten Lastelektrode 310 fließen kann, sofern ein Spannungsabfall über den pn-Übergang pn die Einsatzspannung der durch die pn-Übergange pn gebildeten Bodydiode überschreitet.
  • Der Rückwärtsstrom ist ein bipolarer Ladungsträgerfluss aus Löchern und Elektronen. In der Nähe von pn-Übergängen und unipolaren Übergängen, also in Gebieten mit hoher Dotierstoffkonzentrationsänderung, kann es zu einer verstärkten Rekombination von Löchern und Elektronen kommen. Die dabei freiwerdende Energie fördert das Wachstum kristallographischer Defekte, die den SiC-Kristall zunehmend schädigen. Beispielsweise können Versetzungen zwischen Gitterebenen (basal plane dislocations, BPDs) in Stapelfehler (Shockley stacking faults, SSFs) transformieren, die sich in Siliziumcarbid vom 4H-Polytyp vornehmlich entlang von (0001) Gitterebenen und damit quer zur Hauptstromflussrichtung in der Driftzone 131 fortsetzen und zunehmend den Stromfluss durch die Driftzone 131 behindern.
  • Die Rekombinationsdichte nimmt mit zunehmendem Abstand vom Übergang pn, jn ab, so dass der weitaus überwiegende Teil der Kristalldefekte den Ursprung am und nahe des Übergangs pn, jn hat. Die Gitterfehler breiten sich überwiegend entlang von solchen Hauptkristallebenen 401 aus, die den Übergang pn, jn schneiden. Die Barrierestrukturen 180 begrenzen die Ausbreitung der Kristallfehler in die Driftzone 131.
  • Ein lateraler Abstand d1 zwischen benachbarten Barrierestrukturen 180 und eine vertikale Ausdehnung v1 der Barrierestrukturen 180 in der Driftzone 131 können so bemessen sein, dass mindestens 99% oder 100% der Hauptgitterebenen des SiC Halbleiterkörpers 100, die den zwischen der Driftzone 131 und dem Halbleitergebiet 120 ausgebildeten Übergang pn, jn im Bereich zwischen zwei Barrierestrukturen 180 unter einem Winkel α ≤ 10°, beispielsweise in einem Bereich von 2° bis 8° schneiden, innerhalb der Driftzone 131 an eine der Barrierestrukturen 180 angrenzen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Verhältnis v1:d1 größer sein als tan α, wobei v1 kleiner ist als eine vertikale Ausdehnung der Driftzone 131. Beispielsweise kann das Verhältnis v1:d1 höchstens das Dreifache oder höchstens das Doppelte von tan α betragen. Ist das Verhältnis v1:d1 größer als tan α, bleiben auch Kristalldefekte, die in solchen Gitterebenen auftreten, die den Übergang pn, jn nicht schneiden, lokal auf einen Bereich zwischen zwei Barrierestrukturen 180 begrenzt. Die Wirkung der Barrierestrukturen 180 auf sich ausbreitende Kristallfehler bezogen auf die vertikale Ausdehnung der Barrierestrukturen 180 und damit die Effizienz der Barrierestrukturen 180 ist bei einer solchen Dimensionierung hoch.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die vertikale Ausdehnung v1 der Barrierestruktur 180 mindestens 50% einer vertikalen Ausdehnung der Driftzone 131 betragen oder gleich oder größer sein als die vertikale Ausdehnung der Driftzone 131.
  • Die Barrierestrukturen 180 können eine Längsausdehnung parallel zu den Schnittlinien zwischen dem Übergang pn, jn und den Hauptkristallebenen 401 aufweisen. Die Barrierestrukturen 180 können die in 1B und 1D gezeigten regelmäßigen Streifenmuster bilden.
  • In den 1A und 1B sind die Barrierestrukturen 180 an einem pn-Übergang pn an der Vorderseite des Halbleiterbauelements 500 ausgebildet, d.h. auf der gleichen Seite wie die Gatestrukturen 150. Gemäß der dargestellten Ausführungsform können sich die Barrierestrukturen 180 von der ersten Oberfläche 101 durchgehend bis in die Driftzone 131 erstrecken. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Barrierestrukturen 180 von der ersten Oberfläche 101 beabstandet sein. Die Barrierestrukturen 180 reichen tiefer in den SiC Halbleiterkörper 100 als die Gatestrukturen 150.
  • Ein von der ersten Oberfläche 101 am weitesten beabstandeter pn-Übergang zwischen der Driftzone 131 und dem dotierten Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp kann die Basis bilden, ab der sich die vertikale Ausdehnung v1 der Barrierestrukturen 180 in der Driftzone 131 bemisst.
  • In den 1C und 1D sind die Barrierestrukturen 180 an einem unipolaren Übergang jn auf einer Rückseite des Halbleiterbauelements 500 ausgebildet, d.h. auf einer den Gatestrukturen 150 gegenüberliegenden Seite der Driftzone 131. Ein von der zweiten Oberfläche 102 am weitesten beabstandeter Übergang der Driftzone 131 zu dem dotierten Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp kann die Basis bilden, ab der sich die vertikale Ausdehnung v1 der Barrierestrukturen 180 in der Driftzone 131 bemisst.
  • Die Barrierestrukturen 180 auf der Bauteilvorderseite gemäß 1A und die Barrierestrukturen 180 auf der Bauteilrückseite gemäß 1C können im gleichen Halbleiterbauelement 500 ausgebildet sein.
  • 2A-2B beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement 500, das ein MOSFET oder eine Halbleiterdiode sein kann. Die Oberflächen 101, 102 auf Vorderseite und Rückseite des SiC Halbleiterkörpers 100 sind in der Regel gegen das Kristallgittersystem des SiC Halbleiterkörpers gekippt, um eine hohe Qualität der epitaktisch abgeschiedenen Schicht zu erzielen. Die Driftzone 131 wird parallel zu der ersten und zweiten Oberfläche 101, 102 ausgebildet. Hauptkristallebenen schneiden daher den Übergang pn, jn unter einem Winkel α zwischen 2° und 8°, z.B. etwa 4°. Kristallfehler wachsen demnach unter einem flachen Winkel zum Übergang pn, jn vom Übergang pn, jn in die Driftzone 131 hinein.
  • Die Barrierestrukturen 180 bilden eine physikalische Barriere gegen das Kristallfehlerwachstum. Das Verhältnis v1:d1 kann größer tan α und kleiner 3 × tan α sein. Alle Hauptgitterebenen 401, die den Übergang pn, jn zwischen zwei Barrierestrukturen 180 schneiden, sowie solche Hauptgitterebenen 401, die dem Übergang pn, jn nahe kommen, enden an einer der Barrierestrukturen 180.
  • Die Barrierestrukturen 180 können aus amorphisiertem und/oder polykristallinem Siliziumcarbid bestehen oder amorphisiertes und/oder polykristallines Siliziumcarbid aufweisen. Das Siliziumcarbid der Barrierestrukturen 180 kann dabei undotiert sein oder dotiert. Beispielsweise kann zumindest der in die Driftzone 131 reichende Teil einer Barrierestruktur 180 mit den Dotierstoffen der Driftzone 131 dotiert sein. Die Barrierestrukturen 180 können Fremdatome, z.B. Argonatome aufweisen, durch deren Implantation die Barrierestrukturen 180 mindestens teilweise amorphisiert sind.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Barrierestruktur eine Schicht aus thermischem Siliziumoxid, aus abgeschiedenem Siliziumoxid, aus einem dielektrischen Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante größer 4, zum Beispiel Siliziumnitrid, aus Siliziumoxinitrid und/oder aus einem Glas aufweisen oder aus einer oder mehreren solcher Schichten bestehen. Beispielsweise kann die Barrierestruktur 180 zum überwiegenden Teil aus Siliziumnitrid bestehen.
  • Im rechten Teil der 2A umfasst die Barrierestruktur 180 eine leitfähige Füllung 189 und eine isolierende Schicht 181, die die leitfähige Füllung zum SiC Halbleiterkörper 100 isoliert. Die leitfähige Füllung 189 kann ohne Anschluss sein („floatend“, Englisch: floating) und ist von eventuell vorhandenen Gateelektroden eines MOSFETs elektrisch isoliert. Die leitfähige Füllung 189 kann von Lastelektroden des Halbleiterbauelements 500 elektrisch isoliert sein oder mit einer der Lastelektroden elektrisch verbunden sein.
  • Die in 2B gezeigten Barrierestrukturen 180 auf der Rückseite des SiC Halbleiterkörpers 100 können eine geringere Spannungsfestigkeit aufweisen als die Barrierestrukturen 180 auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100. Die Barrierestrukturen 180 auf der Rückseite des SiC Halbleiterkörpers 100 werden in der Regel vor einem epitaktischen Aufwachsen eines Hauptteils der Driftzone 131 ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform können die Barrierestrukturen 180 amorphisiertes und/oder polykristallines Siliziumcarbid aufweisen oder aus solchem bestehen und beispielsweise durch Implantation von z.B. Argon bei hoher Dotierstoffdosis oder durch Laserbestrahlung durch die Bauteilrückseite erzeugt werden.
  • 2C zeigt Barrierestrukturen 180 mit einer Querausdehnung w1 und einer Längsausdehnung 11 senkrecht zu der Querausdehnung w1, wobei die Längsausdehnung 11 mindestens ein Fünffaches der Querausdehnung w1 betragen kann. Die Längsausdehnung 11 verläuft parallel oder nahezu parallel zu Schnittlinien zwischen den Hauptgitterebenen 401 und dem Übergang pn, jn.
  • Die Barrierestrukturen 180 können jeweils durchgehend oder mit Unterbrechungen von einer Seite eines aktiven Gebiets bis zu einer gegenüberliegenden Seite verlaufen, wobei die Unterbrechungen zwischen Linien benachbarter Barrierestrukturen 180 gegeneinander versetzt sein können.
  • Das aktive Gebiet einer Halbleiterdiode wird durch die laterale Ausdehnung eines Anodengebiets bestimmt. Das aktive Gebiet eines MOSFETs wird durch die laterale Ausdehnung eines Transistorzellenfeldes bestimmt, in dem funktionsfähige Transistorzellen TC ausgebildet und jeweils mit beiden Lastanschlüssen verbunden sind.
  • Die 3 zeigt einen pn-Übergang pn als eine Grenzfläche, an der sich die Dotierungen N1, NDr des dotierten Gebiets 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp und der Driftzone 131 vom ersten Leitfähigkeitstyp gerade kompensieren. Ein unipolarer Übergang jn ergibt sich durch die Punkte, an denen ein vertikales Dotierstoffprofil am Übergang zwischen der Driftzone 131 mit der Dotierung NDr und dem dotierten Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp und der Dotierung N2 einen Wendepunkt aufweist.
  • In den 4A, 4B, 5, 6 und 7 ist das Halbleiterbauelement 500 jeweils ein SiC-MOSFET mit einer Driftzone 131, mit einem Halbleitergebiet 120, 140 und mit Transistorzellen TC wie mit Bezug auf die 1A-1D, 2A-2C und 3 beschrieben, wobei die erste Lastelektrode 310 mit einem Source-Anschluss S und die zweite Lastelektrode 320 mit einem Drainanschluss D verbunden ist.
  • Die 4A und 4B zeigen Halbleiterbauelemente 500 mit planaren Gatestrukturen 150 auf der Vorderseite eines SiC Halbleiterkörpers 100, wobei eine einzelne Gatestruktur 150 jeweils zwei symmetrisch zur Gatestruktur 150 ausgebildeten Transistorzellen TC zugeordnet sein kann. Die Gatestrukturen 150 umfassen jeweils eine leitfähige Gateelektrode 155 und ein Gatedielektrikum 151, das direkt auf der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sein kann und die Gateelektrode 155 vom SiC Halbleiterkörper 100 trennt.
  • Ein Halbleitergebiet 120, 140 kann ein dotiertes Gebiet 140 von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein dotiertes Gebiet 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfassen. Das Halbleitergebiet 120, 140 kann einen Übergang pn, jn mit der Driftzone 131 im SiC Halbleiterkörper 100 bilden.
  • Das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp kann Bodygebiete 125 umfassen, die sich von einer ersten Oberfläche 101 aus in den SiC Halbleiterkörper 100 erstrecken. Ein Bodygebiet 125 kann dabei an zwei benachbarte Gatestrukturen 150 angrenzen, die zwei einander benachbarten Transistorzellen TC zugeordnet sind. Zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem Bodygebiet 125 können Sourcegebiete 110 von zwei Transistorzellen TC ausgebildet sein. Das Bodygebiet 125 kann zwischen zwei Sourcegebieten 110 mit der ersten Lastelektrode 310 elektrisch verbunden sein. Beispielsweise kann ein hochdotierter Abschnitt des Bodygebiets 125 zwischen den Sourcegebieten 110 an die erste Oberfläche 101 angrenzen. Die Driftzone 131 oder höher dotierte Stromverteilungsgebiete vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131 können zwischen benachbarten Bodygebieten 125 an die erste Oberfläche 101 grenzen. Neben den Bodygebieten 125 kann das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp weitere Gebiete vom zweiten Leitfähigkeitstyp umfassen. Das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp bildet einen pn-Übergang pn mit einer Driftzone 131.
  • Das Halbleitergebiet 120, 140 kann zwischen der Driftzone 131 und der zweiten Oberfläche 102 des SiC Halbleiterkörpers 100 ein dotiertes Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen, das einen unipolaren Übergang jn mit der Driftzone 131 ausbilden kann. Das dotierte Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp kann ein hochdotiertes Basisgebiet 149 aufweisen, das an die zweite Lastelektrode 320 angrenzt. Eine Teilschicht 145 mit einer Dotierstoffkonzentration, die höher ist als in der Driftzone 131 und niedriger als im hochdotierten Basisgebiet 149 kann zwischen dem hochdotierten Basisgebiet 149 und der Driftzone 131 ausgebildet sein. Ein Übergang pn, jn zwischen dem Halbleitergebiet 120,140 und der Driftzone 131 kann den pn-Übergang pn, den unipolaren Übergang jn oder beide aufweisen.
  • Ein Zwischenlagendielektrikum 210 kann die Gateelektrode 155 von der ersten Lastelektrode 310 auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100 trennen. Das Zwischenlagendielektrikum 210 kann beispielsweise eine Schicht aus thermischem Siliziumoxid, aus abgeschiedenem Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid und/oder aus einem Glas umfassen. Kontakte 315 in Öffnungen des Zwischenlagendielektrikums 210 können die erste Lastelektrode 310 mit den Bodygebieten 125 und den Sourcegebieten 110 verbinden.
  • Im eingeschalteten Zustand bilden die Transistorzellen TC in Kanalbereichen der Bodygebiete 125 laterale Inversionskanäle entlang der ersten Oberfläche 101 zwischen den Sourcegebieten 110 und den an die erste Oberfläche 101 angrenzenden Abschnitten der Driftzone 131.
  • Die Barrierestrukturen 180 erstrecken sich vom Halbleitergebiet 120, 140 aus in die Driftzone 131, wobei eine vertikale Ausdehnung v1 der Barrierestrukturen 180 in der Driftzone 131 und ein lateraler Abstand d1 benachbarter Barrierestrukturen 180 nach den oben beschriebenen Gesichtspunkten gewählt sein können. Ein erster Mitte-zu-Mitte Abstand pt1 zwischen benachbarten Barrierestrukturen 180 kann ein ganzzahliges Vielfaches eines zweiten Mitte-zu-Mitte Abstands pt2 benachbarter Gatestrukturen 150 betragen. Beispielsweise kann ein dritter Mitte-zu-Mitte Abstand pt3 zwischen einer Barrierestruktur 180 und der benachbarten Gatestruktur 150 gleich dem zweiten Mitte-zu-Mitte Abstand pt2 ist.
  • 4A zeigt Barrierestrukturen 180, die sich von dem dotierten Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp aus in die Driftzone 131 hineinerstrecken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel können sich die Barrierestrukturen 180 von der ersten Oberfläche 101 aus in den SiC Halbleiterkörper 100 erstrecken. Es ist auch möglich, dass die Barrierestrukturen 180 von der ersten Oberfläche 101 beabstandet sind.
  • 4B zeigt Barrierestrukturen 180, die sich von dem dotierten Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp aus in die Driftzone 131 hineinerstrecken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Barrierestrukturen 180 von der zweiten Oberfläche 101 beabstandet. Es ist auch möglich, dass die Barrierestrukturen 180 sich von der zweiten Oberfläche 102 aus in den SiC Halbleiterkörper 100 erstrecken. Die Barrierestrukturen 180 gemäß 4B können zusätzlich zu den Barrierestrukturen gemäß 4A ausgebildet sein.
  • In 5 sind die Gatestrukturen 150 in Gräben mit V-förmiger vertikaler Querschnittsfläche ausgebildet. Die Gateelektrode 155 kann sich jeweils in annähernd gleichmäßiger Schichtdicke entlang der Seitenwände und des Bodens der Gräben erstrecken. In Mesen des SiC Halbleiterkörpers 100 zwischen benachbarten Gatestrukturen 150 können entlang der ersten Oberfläche 101 Sourcegebiete 110 ausgebildet sein. Bodygebiete 125 können zwischen den Sourcegebieten 110 und der Driftzone 131 ausgebildet sein. Die Bodygebiete 125 können Teilgebiete eines Halbleitergebiets 120, 140 bilden.
  • Ein erster Abstand t1 zwischen einer Unterkante der Barrierestrukturen 180 und der ersten Oberfläche 101 kann größer sein als ein zweiter Abstand t2 zwischen einer Unterkante der Gatestrukturen 150 und der ersten Oberfläche 101. Der erste Abstand t1 zwischen einer Unterkante der Barrierestrukturen 180 und der ersten Oberfläche 101 kann größer sein als ein dritter Abstand t3 zwischen der ersten Oberfläche 101 und einem zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Driftzone 131 ausgebildeten und von der ersten Oberfläche 101 am weitesten beabstandeter pn-Übergang pn.
  • In 6 und 7 beruht das Halbleiterelement 500 auf einem SiC Halbleiterkörper 100, der einen Siliziumcarbid-Kristall vom 4H-Polytyp aufweist. Die <0001> Gitterrichtung kann um einen Winkel α zwischen 2° und 8° gegen die Normale 104 gekippt sein. Die <11-20> Gitterrichtung ist um den Winkel α gegen die erste Oberfläche 101 gekippt und verläuft parallel zur Querschnittsebene. Die <1-100> Gitterrichtung verläuft orthogonal zur Querschnittsebene und orthogonal zur horizontalen ersten Richtung 191.
  • Erste Seitenwände 151 von Gatestrukturen 150 verlaufen parallel zu (11-20) Gitterebenen mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und/oder weichen um maximal 2° von einer Ausrichtung der (11-20) Gitterebenen ab. Den ersten Seitenwänden 151 gegenüberliegende zweite Seitenwände 152 können um das Doppelte des Winkels α von der Ausrichtung der (11-20) Gitterebenen abweichen und/oder weichen um maximal 2° vom Doppelten des Winkels α von der Ausrichtung der (11-20) Gitterebenen ab.
  • Sourcegebiete 110 und Bodygebiete 125 grenzen an die ersten Seitenwände 151 der Gatestruktur 150 an. Entlang der zweiten Seitenwände können Abschirmgebiete 128 ausgebildet sein. Die Abschirmgebiete 128 können höher dotiert sein als die Bodygebebiete 125 und mit der ersten Lastelektrode 310 verbunden sein. Die Abschirmgebiete 128 können die Bodygebiete 125 von zweiten Seitenwänden 152 trennen. Eine vertikale Ausdehnung der Abschirmgebiete 128 kann größer sein als eine vertikale Ausdehnung der Bodygebiete 125 und größer als eine vertikale Ausdehnung der Gatestrukturen 150 im SiC Halbleiterkörper 100. Das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp kann sowohl die Bodygebiete 125 als auch die Abschirmgebiete 128 umfassen. Die Abschirmgebiete 128 bilden den am weitesten von der ersten Oberfläche 101 beabstandeten pn-Übergang pn, ab der sich eine vertikale Ausdehnung v1 der Barrierestrukturen 180 in die Driftzone 131 bemisst.
  • Im Halbleiterbauelement 500 der 6 ist ein erster Mitte-zu-Mitte Abstand pt1 zwischen benachbarten Barrierestrukturen 180 größer als ein zweiter Mitte-zu-Mitte Abstand pt2 zwischen benachbarten Gatestrukturen 150.
  • Die Sourcegebiete 110 können entlang der ersten Seitenwände 151 der Gatestrukturen 150 jeweils unmittelbar an die Gatestruktur 150 anschließen und ausschließlich zwischen Bodygebiet 125 und der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sein. Gemäß der dargestellten Ausführungsform umfassen die Sourcegebiete 110 neben ersten Abschnitten 111 entlang den ersten Seitenwände 151 einen oder mehrere zweite Abschnitte 112, die an die zweiten Seitenwände 152 der Gatestrukturen 150 angrenzen und jeweils zwischen Abschirmgebiet 128 und erster Oberfläche 101 ausgebildet sind. Die zweiten Abschnitte 112 können im Halbleiterkörper 100 beispielsweise durch die Abschirmgebiete 128 und/oder die Bodygebiete 125 von den ersten Abschnitten 111 getrennt sein oder über weitere Abschnitte vom gleichen Leitfähigkeitstyp mit den ersten Abschnitten 111 verbunden sein.
  • Im Halbleiterbauelement 500 der 7 kann der erste Mitte-zu-Mitte Abstand pt1 zwischen benachbarten Barrierestrukturen gleich dem zweiten Mitte-zu-Mitte Abstand pt2 zwischen benachbarten Gatestrukturen 150 sein. Die Barrierestrukturen 180 unterscheiden sich von den Gatestrukturen 150 strukturell. Beispielsweise weisen die Barrierestrukturen 180 keine leitfähigen Strukturen auf oder nur solche leitfähige Strukturen, die von der Gateelektrode 155 elektrisch isoliert sind. Beispielsweise weisen die Barrierestrukturen 180 eine leitfähige Struktur auf, die mit der ersten Lastelektrode 310 verbunden ist oder mit keiner der Lastelektroden 310, 320 verbunden ist. Beispielsweise kann eine leitfähige Struktur in den Barrierestrukturen 180 elektrisch ohne Anschluss sein.
  • In den 8A bis 8D, 9A und 9B ist das Halbleiterbauelement jeweils eine Halbleiterdiode 510 mit einem SiC Halbleiterkörper, einer Driftzone 131, einem Halbleitergebiet 120, 140 und Barrierestrukturen 180 wie mit Bezug auf die 1A-1D, 2A-2C und 3 beschrieben, wobei die erste Lastelektrode 310 einen Anoden-Anschluss A ausbildet oder mit einem Anoden-Anschluss A verbunden ist und die zweite Lastelektrode 320 einen Kathoden-Anschluss K ausbildet oder mit einem Kathoden-Anschluss K verbunden ist.
  • Das Halbleitergebiet 120, 140 kann ein dotiertes Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp und ein dotiertes Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen. Das dotierte Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp kann ein Anodengebiet 123 umfassen, das direkt an die erste Oberfläche 101 des SiC Halbleiterkörpers 100 und an die erste Lastelektrode 310 angrenzen und einen pn-Übergang pn mit der Driftzone 131 bilden kann. Das dotierte Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp kann direkt an die zweite Oberfläche 102 des SiC Halbleiterkörpers 100 und an die zweite Lastelektrode 310 angrenzen und einen unipolaren Übergang jn mit der Driftzone 131 bilden. Das dotierte Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp weist eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweist als die Driftzone 131. Vom Halbleitergebiet 120, 140 aus erstrecken sich Barrierestrukturen 180 in die Driftzone 131.
  • In 8A erstrecken sich die Barrierestrukturen 180 vom dotierten Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp aus in die Driftzone 131.
  • In 8B erstrecken sich die Barrierestrukturen 180 vom dotierten Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp aus in die Driftzone 131.
  • Gemäß 8C können sich Barrierestrukturen 180 sowohl vom dotierten Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp aus als auch vom dotierten Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp aus und damit sowohl vom pn-Übergang pn als auch vom unipolaren Übergang jn aus in die Driftzone 131 erstrecken.
  • Die Barrierestrukturen 180 auf der Kathodenseite können die gleiche vertikale Ausdehnung in der Driftzone 131 und den gleichen lateralen Abstand zueinander aufweisen wie die Barrierestrukturen 180 auf der Anodenseite. Gemäß einer Ausführungsform kann eine vertikale Ausdehnung v2 von Barrierestrukturen 180 auf der Kathodenseite sowie der Abstand d2 von Barrierestrukturen 180 auf der Kathodenseite von den entsprechenden Werten v1, d1 auf der Anodenseite abweichen. Der laterale Abstand d2 zwischen benachbarten Barrierestrukturen 180 auf der Kathodenseite und eine vertikale Ausdehnung v2 der Barrierestrukturen 180 auf der Kathodenseite in der Driftzone 131 kann ebenfalls so bemessen sein, dass alle Hauptgitterebenen 401 des SiC Halbleiterkörpers 100, die einen zwischen der Driftzone 131 und dem dotierten Gebiet 140 vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildeten unipolaren Übergang jn im Bereich zwischen zwei Barrierestrukturen 180 in einem Winkel α ≤ 10° schneiden, in der Driftzone 131 an eine der Barrierestrukturen 180 angrenzen.
  • 8D zeigt eine Ausführungsform, bei der die Barrierestrukturen 180 sich durch die Driftzone 131 erstrecken und eine vertikale Ausdehnung v1 der Barrierestrukturen 180 in der Driftzone 131 mindestens gleich einer vertikalen Ausdehnung v0 der Driftzone 131 ist.
  • Gemäß den Ausführungsbeispielen der 9A und 9B bildet die erste Lastelektrode 310 sowohl ohmsche Kontakte OC mit einem dotierten Gebiet 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp als auch Schottky-Kontakte SC mit Abschnitten der Driftzone 131 oder mit Kontaktgebieten 138 vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131, wobei die Kontaktgebiete 138 eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweisen können als die Driftzone 131. Der Vorwärtsstrom (Englisch: forward current, IF) der Halbleiterdioden 510 fließt für kleine Vorwärtsspannungen über die Schottky-Kontakte SC. Mit zunehmender Stromstärke steigt der Spannungsabfall über die Schottky-Kontakte SC bis die Einsatzspannung der durch die pn-Übergänge pn gebildeten Diode erreicht wird und der Vorwärtsstrom zunehmend über die ohmschen Kontakte OC und den pn-Übergang pn fließt. Im Sperrzustand schirmen die dotierten Gebiete 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp die Schottky-Kontakte SC gegen das Kathodenpotential ab und reduzieren den Leckstrom durch die Schottky-Kontakte SC.
  • Die Halbleiterdioden 510 weisen Barrierestrukturen 180 wie oben beschrieben auf. Ein erster Mitte-zu-Mitte Abstand pt1 zwischen benachbarten Barrierestrukturen 180 kann unabhängig von einem vierten Mitte-zu-Mitte Abstand pt4 zwischen benachbarten Schottky-Kontakten SC sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann der erste Mitte-zu-Mitte Abstand pt1 ein ganzzahliges Vielfaches des vierten Mitte-zu-Mitte Abstandes pt4 oder der vierte Mitte-zu-Mitte Abstand pt4 ein ganzzahliges Vielfaches des ersten Mitte-zu-Mitte Abstands pt1 sein.
  • Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen Halbleiterbauelements sowie einer hier beschriebenen Halbleiterdiode beschrieben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauelement einen SiC Halbleiterkörper, in dem eine Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet ausgebildet sind. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement Gatestrukturen und Barrierestrukturen, die sich von dem Halbleitergebiet in die Driftzone erstrecken, wobei sich die Barrierestrukturen von den Gatestrukturen unterscheiden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements erstrecken sich die Gatestrukturen von einer ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers aus in den SiC Halbleiterkörper. Zwischen der Driftzone und der ersten Oberfläche ist ein Gebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Das Halbleitergebiet umfasst das Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp. Ein erster Abstand zwischen einer Unterkante der Barrierestrukturen und der ersten Oberfläche ist größer als ein zweiter Abstand zwischen einer Unterkante der Gatestrukturen und der ersten Oberfläche.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist ein erster Abstand zwischen einer Unterkante der Barrierestrukturen und der ersten Oberfläche größer als ein dritter Abstand zwischen der ersten Oberfläche und einem zwischen der ersten Oberfläche und der Driftzone ausgebildeten und von der ersten Oberfläche am weitesten beabstandeten pn Übergang.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist in dem SiC Halbleiterkörper ein Gebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp und mit einer höheren Dotierung als die Driftzone ausgebildet. Das Halbleitergebiet umfasst das Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps und mindestens ein Teil der Barrierestrukturen erstrecken sich von dem Gebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp aus in die Driftzone. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements grenzt das Gebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp auf einer den Gatestrukturen gegenüberliegenden Seite der Driftzone an die Driftzone an. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleitergebiet mindestens einen pn Übergang zu der Driftzone auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleitergebiet mindestens einen unipolaren Übergang zu der Driftzone auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements sind ein lateraler Abstand zwischen benachbarten Barrierestrukturen und eine vertikale Ausdehnung der Barrierestrukturen in der Driftzone so bemessen, dass mindestens 90% von Hauptgitterebenen des SiC Halbleiterkörpers, die einen zwischen der Driftzone und dem Halbleitergebiet ausgebildeten Übergang im Bereich zwischen zwei Barrierestrukturen unter einem Winkel von maximal 10° schneiden, in der Driftzone an eine der Barrierestrukturen angrenzen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist ein Polytyp des SiC Halbleiterkörpers ein 4H-SiC Polytyp und die Hauptgitterebenen sind (0001) Gitterebenen, die den Übergang unter einem Winkel von mindestens 2° und höchstens 8° schneiden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weisen die Barrierestrukturen eine Querausdehnung und senkrecht zu der Querausdehnung eine Längsausdehnung auf, die mindestens ein Fünffaches der Querausdehnung beträgt, wobei die Längsausdehnung parallel zu Schnittlinien zwischen den Hauptgitterebenen und dem Übergang verläuft.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements erstrecken sich die Gatestrukturen von einer ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers aus in den SiC Halbleiterkörper. Zwischen der Driftzone und der ersten Oberfläche ist ein Gebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Das Halbleiterbauelement weist zudem ein Sourcegebiet vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone auf, wobei das Sourcegebiet zwischen der ersten Oberfläche und der Driftzone ausgebildet ist und einen Transistor-pn-Übergang mit dem Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp ausbildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements umfasst das Halbleiterbauelement ein Bodygebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei eine Dotierstoffkonzentration im Bodygebiet höchstens 50% einer Dotierstoffkonzentration im Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist und das Bodygebiet einen größeren Abstand zu einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers aufweist als das Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements kann eine Volumendurchbruchfestigkeit der Barrierestrukturen mindestens 90% der Volumendurchbruchfestigkeit eines an die Barrierestrukturen anschließenden Teils der Driftzone betragen. Die Barrierestrukturen können polykristallines Siliziumcarbid, amorphes Siliziumcarbid, kristallines Siliziumcarbid von einem anderen Kristalltyp, mit einer anderen Kristallorientierung und/oder kristallines Siliziumcarbid von einem anderen Polytyp als die Driftzone aufweisen. Ein erster Mitte-zu-Mitte Abstand zwischen den Barrierestrukturen kann größer sein als ein zweiter Mitte-zu-Mitte Abstand zwischen den Gatestrukturen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterdiode umfasst die Halbleiterdiode einen SiC Halbleiterkörper, in dem eine Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet ausgebildet sind. Ferner umfasst die Halbleiterdiode Barrierestrukturen, die sich von dem Halbleitergebiet aus in die Driftzone erstrecken.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterdiode enden Hauptgitterebenen des SiC Halbleiterkörpers, die einen Übergang zwischen der Driftzone und dem Halbleitergebiet schneiden, an den Barrierestrukturen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterdiode sind ein lateraler Abstand zwischen benachbarten Barrierestrukturen und eine auf einen zwischen dem Halbleitergebiet und der Driftzone ausgebildeten Übergang bezogene vertikale Ausdehnung der Barrierestrukturen so bemessen, dass mindestens 90 % der Hauptgitterebenen, die den Übergang im Bereich zwischen zwei Barrierestrukturen unter einem Winkel kleiner 10° schneiden, in der Driftzone an eine der Barrierestrukturen angrenzen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform können alle Hauptgitterebenen, die den Übergang im Bereich zwischen zwei Barrierestrukturen unter einem Winkel von höchstens 10° schneiden, in der Driftzone an eine der Barrierestrukturen angrenzen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterdiode umfasst das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, und das dotierte Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist zwischen einer ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers und der Driftzone ausgebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterdiode umfasst das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet von dem ersten Leitfähigkeitstyp, und das dotierte Gebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp ist zwischen einer zweiten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers und der Driftzone ausgebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterdiode umfasst die Halbleiterdiode eine erste Lastelektrode, die einen ohmschen Kontakt mit dem Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp und einen Schottky-Kontakt mit der Driftzone oder mit einem Kontaktgebiet vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone ausbildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterdiode weist die Barrierestrukturen eine Querausdehnung und senkrecht zu der Querausdehnung eine Längsausdehnung auf, die mindestens ein Fünffaches der Querausdehnung beträgt, wobei die Längsausdehnung parallel zu Schnittlinien zwischen den Hauptgitterebenen und dem unipolaren Übergang verläuft.
  • Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie die Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (21)

  1. Halbleiterbauelement, das aufweist: einen SiC Halbleiterkörper (100), in dem eine Driftzone (131) von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet (120, 140) ausgebildet sind, wobei ein Polytyp des SiC Halbleiterkörpers (100) ein 4H-SiC Polytyp ist, wobei zwischen der Driftzone (131) und dem Halbleitergebiet (120, 140) ein Übergang (pn, jn) ausgebildet ist, und wobei (0001)-Gitterebenen, die Hauptgitterebenen (401) sind, den Übergang (pn, jn) unter einem Winkel (α) von mindestens 2° und höchstens 8° schneiden; Gatestrukturen (150); und Barrierestrukturen (180), die sich von dem Halbleitergebiet (120, 140) in die Driftzone (131) erstrecken, wobei sich die Barrierestrukturen (180) von den Gatestrukturen (150) unterscheiden, wobei die Barrierestrukturen (180) eine Querausdehnung (w1) und senkrecht zu der Querausdehnung (w1) eine Längsausdehnung (11) aufweisen, die mindestens ein Fünffaches der Querausdehnung (w1) beträgt, und wobei die Längsausdehnung (11) parallel zu Schnittlinien zwischen den Hauptgitterebenen (401) und dem Übergang (pn, jn) verläuft.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Gatestrukturen (150) sich von einer ersten Oberfläche (101) des SiC Halbleiterkörpers (100) aus in den SiC Halbleiterkörper (100) erstrecken, zwischen der Driftzone (131) und der ersten Oberfläche (101) ein Gebiet (120) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, das Halbleitergebiet (120, 140) das Gebiet (120) vom zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst, und ein erster Abstand (t1) zwischen einer Unterkante der Barrierestrukturen (180) und der ersten Oberfläche (101) größer ist als ein zweiter Abstand (t2) zwischen einer Unterkante der Gatestrukturen (150) und der ersten Oberfläche (101).
  3. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein erster Abstand (t1) zwischen einer Unterkante der Barrierestrukturen (180) und der ersten Oberfläche (101) größer ist als ein dritter Abstand (t3) zwischen der ersten Oberfläche (101) und einem zwischen der ersten Oberfläche (101) und der Driftzone (131) ausgebildeten und von der ersten Oberfläche (101) am weitesten beabstandeten pn Übergang (pn).
  4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem SiC Halbleiterkörper (100) ein Gebiet (140) vom ersten Leitfähigkeitstyp und mit einer höheren Dotierung als die Driftzone (131) ausgebildet ist, wobei das Halbleitergebiet (120, 140) das Gebiet (140) des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst und sich mindestens ein Teil der Barrierestrukturen (180) von dem Gebiet (140) vom ersten Leitfähigkeitstyp aus in die Driftzone (131) erstrecken.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruche 4, wobei das Gebiet (140) vom ersten Leitfähigkeitstyp auf einer den Gatestrukturen (150) gegenüberliegenden Seite der Driftzone (131) an die Driftzone (131) angrenzt.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Halbleitergebiet (120, 140) mindestens einen pn Übergang (pn) zu der Driftzone (131) aufweist.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Halbleitergebiet (120, 140) mindestens einen unipolaren Übergang (jn) zu der Driftzone (131) aufweist.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein lateraler Abstand (d1) zwischen benachbarten Barrierestrukturen (180) und eine vertikale Ausdehnung (v1) der Barrierestrukturen (180) in der Driftzone (131) so bemessen sind, dass mindestens 90% der Hauptgitterebenen (401) des SiC Halbleiterkörpers, die den Übergang (pn, jn) im Bereich zwischen zwei Barrierestrukturen (180) unter einem Winkel (α) von maximal 10° schneiden, in der Driftzone (131) an eine der Barrierestrukturen (180) angrenzen.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gatestrukturen (150) sich von einer ersten Oberfläche (101) des SiC Halbleiterkörpers (100) aus in den SiC Halbleiterkörper (100) erstrecken, zwischen der Driftzone (131) und der ersten Oberfläche (101) ein Gebiet (120) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, weiter aufweisend: ein Sourcegebiet (110) vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone (131), wobei das Sourcegebiet (110) zwischen der ersten Oberfläche (101) und der Driftzone (131) ausgebildet ist und einen Transistor-pn-Übergang mit dem Gebiet (120) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ausbildet.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, weiter aufweisend: ein Bodygebiet (125) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei eine Dotierstoffkonzentration im Bodygebiet (125) höchstens 50% einer Dotierstoffkonzentration im Gebiet (120) vom zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist und das Bodygebiet (125) einen größeren Abstand zu einer der ersten Oberfläche (101) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (102) des SiC Halbleiterkörpers (100) aufweist als das Gebiet (120) vom zweiten Leitfähigkeitstyp.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Volumendurchbruchfestigkeit der Barrierestrukturen (180) mindestens 90% der Volumendurchbruchfestigkeit eines an die Barrierestrukturen (180) anschließenden Teils der Driftzone (131) beträgt.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Barrierestrukturen (180) polykristallines Siliziumcarbid, amorphes Siliziumcarbid, kristallines Siliziumcarbid von einem anderen Kristalltyp, mit einer anderen Kristallorientierung und/oder kristallines Siliziumcarbid von einem anderen Polytyp als die Driftzone (131) aufweisen.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein erster Mitte-zu-Mitte Abstand (pt1) zwischen den Barrierestrukturen (180) größer ist als ein zweiter Mitte-zu-Mitte Abstand (pt2) zwischen den Gatestrukturen (150).
  14. Halbleiterdiode, die aufweist: einen SiC Halbleiterkörper (100), in dem eine Driftzone (131) von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein Halbleitergebiet (120, 140) ausgebildet sind, wobei ein Polytyp des SiC Halbleiterkörpers (100) ein 4H-SiC Polytyp ist, wobei zwischen der Driftzone (131) und dem Halbleitergebiet (120, 140) ein Übergang (pn, jn) ausgebildet ist, und wobei (0001)-Gitterebenen, die Hauptgitterebenen (401) sind, den Übergang (pn, jn) unter einem Winkel (α) von mindestens 2° und höchstens 8° schneiden; und Barrierestrukturen (180), die sich von dem Halbleitergebiet (120, 140) aus in die Driftzone (131) erstrecken, wobei die Barrierestrukturen (180) eine Querausdehnung (w1) und senkrecht zu der Querausdehnung (w1) eine Längsausdehnung (11) aufweisen, die mindestens ein Fünffaches der Querausdehnung (w1) beträgt, und wobei die Längsausdehnung (11) parallel zu Schnittlinien zwischen den Hauptgitterebenen (401) und dem Übergang (pn, jn) verläuft.
  15. Halbleiterdiode nach Anspruch 14, wobei die Hauptgitterebenen (401) des SiC Halbleiterkörpers (100), die einen Übergang (pn, jn) zwischen der Driftzone (131) und dem Halbleitergebiet (120, 140) schneiden, an den Barrierestrukturen (180) enden.
  16. Halbleiterdiode nach Anspruch 14 oder 15, wobei ein lateraler Abstand (d1) zwischen benachbarten Barrierestrukturen (180) und eine auf den Übergang (pn, jn) bezogene vertikale Ausdehnung (v1) der Barrierestrukturen (180) so bemessen sind, dass mindestens 90 % der Hauptgitterebenen (401), die den Übergang (pn, jn) im Bereich zwischen zwei Barrierestrukturen (180) unter einem Winkel (α) kleiner 10° schneiden, in der Driftzone (131) an eine der Barrierestrukturen (180) angrenzen.
  17. Halbleiterdiode nach Anspruch 16, wobei alle Hauptgitterebenen (401), die den Übergang (pn, jn) im Bereich zwischen zwei Barrierestrukturen (180) unter einem Winkel (α) von höchstens 8° schneiden, in der Driftzone (131) an eine der Barrierestrukturen (180) angrenzen.
  18. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Halbleitergebiet (120, 140) ein dotiertes Gebiet (120) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, und das dotierte Gebiet (120) vom zweiten Leitfähigkeitstyp zwischen einer ersten Oberfläche (101) des SiC Halbleiterkörpers (100) und der Driftzone (131) ausgebildet ist.
  19. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Halbleitergebiet (120, 140) ein dotiertes Gebiet (140) von dem ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, und das dotierte Gebiet (140) vom ersten Leitfähigkeitstyp zwischen einer zweiten Oberfläche (102) des SiC Halbleiterkörpers (100) und der Driftzone (131) ausgebildet ist.
  20. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 14 bis 19, weiter aufweisend: eine erste Lastelektrode (310), die einen ohmschen Kontakt (OC) mit dem Gebiet (120) vom zweiten Leitfähigkeitstyp und einen Schottky-Kontakt (SC) mit der Driftzone (131) oder mit einem Kontaktgebiet (138) vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone (131) ausbildet.
  21. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die Barrierestrukturen (180) eine Querausdehnung (w1) und senkrecht zu der Querausdehnung (w1) eine Längsausdehnung (11) aufweisen, die mindestens ein Fünffaches der Querausdehnung (w1) beträgt, wobei die Längsausdehnung (11) parallel zu Schnittlinien zwischen den Hauptgitterebenen (401) und dem unipolaren Übergang (jn) verläuft.
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