DE10317383A1 - Junction-Feldeffekttransistor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen JFET, der in seiner Driftstrecke mit einer Kompensationseinrichtung in der Form von einer Feldplatte (5) und/oder Kompensationsgebieten (8) versehen ist, um so ein schnelles Schalten mit niedrigem Einschaltwiderstand zu ermöglichen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Junction-Feldeffekttransistor (JFET) nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein solcher Junction-Feldeffekttransistor ist schematisch in 1 in einem Schnittbild dargestellt. Ein beispielsweise n-leitender Halbleiterkörper 1 aus Silizium ist an seinen gegenüberliegenden Oberflächen mit hochdotierten n++-leitenden Zonen 2, 3 versehen, auf denen eine Drainelektrode D bzw. eine Sourceelektrode S aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Aluminium, aufgebracht ist. Im Halbleiterkörper befinden sich im Abstand voneinander wenigstens zwei p-leitende Zonen 4, die als Gateelektrode G wirken, indem sie den Strompfad zwischen der Sourceelektrode S und der Drainelektrode D steuern. Diese Zonen 4 sind an eine äußere, in 1 nicht dargestellte Gateelektrode G angeschlossen.
  • Bei einem solchen JFET wird, wie bereits erwähnt wurde, der Strompfad durch die durch die Zone 4 aufgebaute Raumladungszone gesteuert. Ein solcher JFET zeichnet sich aufgrund dieser steuernden Raumladungszone durch niedrige Kapazitäten, insbesondere eine niedrige Miller-Kapazität aus.
  • Für Anwendungen in der Leistungselektronik sind JFETs weniger geeignet, da sie einen hohen Einschaltwiderstand haben. Außerdem benötigen sie für ihre Ansteuerung gegenüber herkömmlichen MOS-Transistoren, bei denen die Gateelektrode durch eine Isolierschicht vom Halbleiterkörper getrennt ist, ständig eine gewisse, nicht zu vernachlässigende statische Gatetreiberleistung, die der Gateelektrode zugeführt werden muss. Bei Anwendungen mit hohen Frequenzen kann die für die einzelnen Schaltvorgänge benötigte dynamische Leistung infolge der niedrigen Kapazitäten aber die statische Gatetreiberleistung überwiegen.
  • Insgesamt ergibt sich also, dass JFETs als Schalter mit niedrigem Einschaltwiderstand bisher nicht geeignet sind.
  • In einer ersten Anstrengung, den Einschaltwiderstand von JFETs für Gleichstrom/Gleichstrom-Konverter zu reduzieren, wurde bisher daran gedacht, Gatezonen asymmetrisch in einer Gitterstruktur anzuordnen und eine epitaktische Schicht so zu dotieren, dass in dieser die Dotierung mit zunehmendem Abstand vom Substrat anwächst, wobei die Drainelektrode auf der Rückseite vorgesehen wird (vgl. US 6 355 513 ).
  • Zur Verringerung des Einschaltwiderstandes wird bei MOS-Leistungstransistoren das so genannte "Kompensationsprinzip" angewandt. Bei diesem Kompensationsprinzip wird die Dotierung in der Driftstrecke zwischen Source und Drain erhöht. Eine Kompensation kann nun durch Verwendung von Feldplatten (vergleiche hierzu US 4 941 026 ) oder durch in die Driftstrecke eingebaute Gebiete erfolgen, die den zum Leitungstyp der Driftstrecke entgegengesetzten Leitungstyp haben (vergleiche US 4 754 310 ). In einen p-Kanal-MOS-Transistor mit p-leitender Sourcezone und Drainzone werden also in die n-leitende Driftstrecke p-leitende Kompensationsgebiete eingebaut.
  • Das Kompensationsprinzip lässt sich ohne weiteres auch auf Trench-MOS-Transistoren anwenden. In solchen Trench-MOS-Transistoren können zur dynamischen Kompensation Hilfselektroden in Trenches vorgesehen sein, deren Isolierschicht eine nach unten zunehmende Dicke hat (vergleiche US 5 973 360 ). Weiterhin ist es auch möglich, den Isolator von Trenches als Hohlraum auszubilden (vergleiche DE 100 14 660 C2 ).
  • Die Kompensationsgebiete, die in der Driftstrecke säulenförmig gestaltet sind, können eine homogene Dotierung oder auch eine variable Dotierung (vergleiche DE 198 40 032 C1 ) haben.
  • So können auch für die Driftstrecke im unteren Bereich der Gate-Drain-Raumladungszone Kompensationsgebiete mit unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen bzw. Dotierstoffgradienten vorgesehen werden (vergleiche US 2002/00 36 319 A1 bzw. DE 102 07 309 A1 ).
  • Die Kompensationsgebiete können floatend sein oder auf festem Potential liegen und ausräumbar oder auch nicht ausräumbar sein.
    •
  • Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen JFET anzugeben, der sich durch einen verringerten Einschaltwiderstand auszeichnet und die Realisierung eines schnellen, niederohmigen Schalters erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird bei einem JFET der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine im Halbleiterkörper im Bereich der Gebiete des anderen Leitungstyps vorgesehene Kompensationseinrichtung gelöst. Für diese Kompensationseinrichtung kann eine Feldplatte bzw. Feldelektrode (oder Feldplatten bzw. Feldelektroden) und/oder ein Kompensationsgebiet (bzw. Kompensationsgebiete) des anderen Leitungstyps vorgesehen sein.
  • Es sei angemerkt, dass der eine Leitungstyp beispielsweise der n-Leitungstyp ist. Selbstverständlich können aber die angegebenen Leitungstypen auch jeweils umgekehrt sein. Das heißt, der Halbleiterkörper kann n- oder p-leitend sein. Entsprechend sind dann die Kompensationsgebiete p- bzw. n-leitend. Auch kann anstelle von Silizium, wie eingangs bereits erwähnt, für den Halbleiterkörper auch ein anderes geeignetes Halbleitermaterial verwendet werden, wie beispielsweise Siliziumcarbid, Verbindungshalbleiter usw.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird ein JFET vorgeschlagen, in welchem das Kompensationsprinzip realisiert ist. Für diese Realisierung können die verschiedensten Ausgestaltungen angewandt werden. So können Feldplatten und/oder Kompensationsge biete in beliebiger Anzahl für sich oder jeweils kombiniert miteinander verwendet werden. Es sind Lateral- und Vertikalgestaltungen möglich. So kann beispielsweise bei einer Vertikalgestaltung eine "Source-Down-Struktur" vorgesehen sein, bei der Source unten liegt. Dies kann für eine Optimierung der Wärmeabfuhr vorteilhaft sein.
  • Die Feldplatten im Trench können in üblicher Weise ausgeführt werden. Es sind also beispielsweise Isolierschichten möglich, deren Schichtdicke mit zunehmender Trenchtiefe anwächst. Ebenso kann als Isolator im Trench auch ein Hohlraum eingesetzt werden.
  • Die Feldplatten liegen vorzugsweise auf Sourcepotential. Es ist aber auch möglich, die Feldplatten mit Gatepotential oder einem anderen Hilfspotential zu beaufschlagen.
  • Kompensationsgebiete können, worauf bereits hingewiesen wurde, ausräumbar oder nicht ausräumbar sein. Auch können die Kompensationsgebiete an Sourcepotential oder an Gatepotential oder eine Hilfsspannung angeschlossen oder floatend sein.
  • Vorzugsweise haben die Kompensationsgebiete eine Säulenstruktur. Es sind aber ohne weiteres auch andere Strukturen, wie beispielsweise kugelförmige Strukturen usw. möglich.
  • Im Einzelnen können die Kompensationsgebiete, also vorzugsweise Kompensationssäulen, homogen dotiert sein oder mit einer variablen Dotierung versehen werden.
  • Der Halbleiterbereich, in den die Kompensationsgebiete eingebettet sind, vorzugsweise die so genannte Driftstrecke, kann homogen dotiert sein oder mit einem Dotierungsgradienten versehen werden. So ist es beispielsweise möglich, den Bereich der Gate-Source-Raumladungszone der Driftstrecke höher zu dotieren als den Rest der Driftstrecke.
  • Weiterhin kann in der Driftstrecke der untere Bereich der Gate-Drain-Raumladungszone Gebiete mit unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen bzw. Dotierstoffgradienten aufweisen.
  • Der erfindungsgemäße JFET kann schließlich vorzugsweise auf seiner Rückseite mit einem Emitter versehen werden, so dass eine IGBT-Struktur vorliegt. Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen JFET in eine integrierte Schaltung zu integrieren, wobei in diesem Fall ein epitaktisches Gebiet auf einem Halbleitersubstrat als Wanne für die integrierte Schaltung ausgebildet werden kann.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Schnittdarstellung durch einen herkömmlichen JFET,
  • 2 bis 5 Schnittdarstellungen durch verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer JFETs mit Feldplatten und
  • 6 bis 8 Schnittdarstellungen durch weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen JFETs mit Kompensationsgebieten.
  • Die 1 ist bereits eingangs näher erläutert worden. In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
  • 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen JFETs, bei welchem Feldplatten bzw. Feldelektroden 5 aus polykristallinem Silizium oder einem geeigneten Metall in Trenches 6 eingebracht sind. Diese Trenches 6 sind auf ihrer Innenwand mit einem Isolator, beispielsweise einer Isolierschicht 7 aus Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid belegt. Für den Isolator 7 kann gegebenenfalls auch ein Hohlraum verwendet werden.
  • Die Trenches 6 durchsetzen die p-leitenden Gatezonen 4 und reichen weit in den n-leitenden Halbleiterkörper 1 bis in die Nähe der n++-leitenden Zone 2 hinein.
  • Die Feldplatten 5 liegen vorzugsweise auf Sourcepotential. Sie können aber auch mit Gatepotential oder einem anderen Hilfspotential beaufschlagt sein. Dies gilt auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Feldplatten 5 in den Trenches 6 zwischen den einzelnen Gatezonen 4 gelegen sind. Auch hier können die Feldplatten 5 auf Sourcepotential, Gatepotential oder einem anderen Hilfspotential liegen.
  • In dem Ausführungsbeispiel von 4 sind die Feldplatten 5 in den Trenches 6 unterhalb von den Gatezonen 4 gelegen. Es ist auch möglich, beispielsweise mehr als eine Feldplatte jeder Gatezone 4 und umgekehrt zuzuordnen. In dem Ausführungsbeispiel von 4 sind die Feldplatten vorzugsweise floatend.
  • In 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Schichtdicke der Isolierschicht 7 im linken Trench 6 von oben nach unten zunimmt. Das heißt, mit zunehmender Trenchtiefe weist die Isolierschicht 7 eine größere Schichtdicke auf. Entsprechend wird die Feldelektrode 5 mit zunehmender Tiefe im Trench 6 schmaler. Eine solche Gestaltung des Trenchisolators kann bei einigen oder allen Trenches vorgenommen werden.
  • Die 6 bis 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen JFETs, bei denen p–- bzw. p-leitende Kompensationsgebiete 8 in die Driftstrecke im Halbleiterkörper 1 zwischen Source und Drain eingebettet sind. Diese Kompensationsgebiete können homogen dotiert sein oder aber auch eine variable Dotierung aufweisen, so dass beispielsweise bei einer säulenförmigen Gestalt, wie in den 6 und 7 gezeigt ist, diese Kompensationsgebiete 8 in einem vorgesehenen Bereich höher dotiert sind als in einem anderen Bereich beispielsweise in der Nähe der Drainelektrode D. Weiterhin können die Kompensationsgebiete 8 auch an Sourcepotential angeschlossen (vgl. Strichlinie 9) oder floatend sein. Selbstverständlich kann auch ein anderes Hilfspotential an die Kompensationsgebiete gelegt werden, wenn diese nicht floatend sind.
    •
    • 1
    Halbleiterkörper
    2
    n++-leitende Schicht
    3
    n++-leitende Schicht
    4
    p-leitendes Gebiet
    5
    Feldplatte
    6
    Trench
    7
    Isolator
    8
    Kompensationsgebiet
    9
    Anschluss zwischen Sourcezone und Kompensations
    gebiet
    D
    Drain
    S
    Source
    G
    Gate

Claims (16)

  1. Junction-Feldeffekttransistor (JFET) mit einem Halbleiterkörper (1) des einen Leitungstyps, der auf seiner Oberfläche mit einer Sourceelektrode (S) und einer von dieser beabstandeten Drainelektrode (D) versehen ist, so dass zwischen der Sourceelektrode (S) und der Drainelektrode (D) im Halbleiterkörper (1) ein Strompfad gebildet ist, und mit im Bereich des Strompfades im Halbleiterkörper (1) vorgesehenen Gebieten (4) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, die im Halbleiterkörper (1) den Strompfad steuernde Raumladungszonen aufbauen, gekennzeichnet durch eine im Halbleiterkörper (1) im Bereich der Gebiete (4) des anderen Leitungstyps vorgesehene Kompensationseinrichtung (5, 8).
  2. JFET nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung eine Feldplatte (5) und/oder ein Kompensationsgebiet (8) des anderen Leitungstyps ist.
  3. JFET nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldplatte (5) in einem Trench (6) angeordnet und mit einem Isolator (7) versehen ist.
  4. JFET nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trench (6) mit der Feldplatte (5) das Gebiet (4) des anderen Leitungstyps durchsetzt.
  5. JFET nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldplatte (5) auf Sourcepotential liegt.
  6. JFET nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldplatte (5) auf Gatepotential liegt.
  7. JFET nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke einer den Isolator bildenden Isolierschicht (7) im Trench (6) konstant ist.
  8. JFET nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke einer den Isolator bildenden Isolierschicht (7) im Trench (6) von oben nach unten zunimmt, so dass die Schichtdicke in einem unteren Bereich des Trenches (6) größer ist als in einem oberen Bereich hiervon.
  9. JFET nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator im Trench (6) durch einen Hohlraum gebildet wird.
  10. JFET nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsgebiet (8) des anderen Leitungstyps homogen dotiert ist.
  11. JFET nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsgebiet (8) des anderen Leitungstyps variabel dotiert ist.
  12. JFET nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsgebiet (8) des anderen Leitungstyps einen Dotierungsgradienten aufweist.
  13. JFET nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration des Kompensationsgebietes (8) im Bereich der Gate-Drain-Raumladungszone höher ist als in seinem übrigen Bereich.
  14. JFET nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsgebiet (8) an Sourcepotential angeschlossen ist.
  15. JFET nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsgebiet (8) an Gatepotential angeschlossen ist.
  16. JFET nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Source-Down-Struktur.
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