DE10334797B3 - Semiconductor component with field stop layer with p or n channel transistor has transistor gate arranged so potential exists between gate, bounding part of spatial charging zone area to cause a current to flow through field stop layer - Google Patents

Semiconductor component with field stop layer with p or n channel transistor has transistor gate arranged so potential exists between gate, bounding part of spatial charging zone area to cause a current to flow through field stop layer Download PDF

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Abstract

The device (1A) has a spatial charging zone area (5) and a field stop layer (4) with at least part of a p or n channel transistor for limiting a spatial charging zone that can be formed in the spatial charging zone area. The transistor's gate (14,19) is in direct contact with the spatial charging zone area. It is arranged so that a large enough potential exists between the gate and the bounding part of the spatial charging zone area to switch the p or n channel (15,16) of the transistor to cause a current to flow via the channel through the field stop layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das eine Feldstoppschicht zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleiterbauelement ausbildbaren Raumladungszone enthält.The The invention relates to a semiconductor device comprising a field stop layer to the spatial Limiting a space charge zone that can be formed in the semiconductor component contains.

Halbleiterbauelemente mit Feldstoppschicht sind bekannt und werden auf vielfältige Art und Weise eingesetzt. Eine detaillierte Beschreibung der technischen Grundlagen von Halbleiterbauelementen mit Feldstoppschicht findet sich beispielsweise in der Patentschrift US 5,668,385 A [1]. Hier soll im Folgenden nur eine kurze Zusammenfassung der Funktionsweise derartiger Bauteile gegeben werden.Semiconductor devices with field stop layer are known and used in a variety of ways. A detailed description of the technical principles of semiconductor devices with field stop layer can be found for example in the patent US 5,668,385 A [1]. Here, only a brief summary of the operation of such components will be given below.

Feldstoppschichten werden beispielsweise in Halbleiterbauelementen eingesetzt, die in einer vertikalen pnp-Struktur mit einem an der Vorderseite befindlichen sperrenden pn-Übergang im n-Gebiet eine so geringe Dotierung aufweisen, dass sich das elektrische Feld beziehungsweise die Raumladungszone im Sperrfall bis zu einem rückseitigen p-Gebiet ausdehnen würde. Ein derartiges "Durchgreifen" des elektrischen Feldes bzw. der Raumladungszone wird als "Punch-Through" bezeichnet und bewirkt, dass eine Durchbruchsspannung des Halbleiterbauelements verringert wird. Durch das Verwenden einer Feldstoppschicht (Feldstoppbauelemente) wird zwischen dem niedrig dotierten n-Gebiet und dem rückseitigen p-Gebiet ein zusätzliches, etwas höher dotiertes n-Gebiet eingebaut, durch die das elektrische Feld komplett abgebaut wird. Damit kann der Punch-Through-Effekt sicher vermieden werden. Halbleiterbauelemente mit Feldstoppschicht werden als Feldstoppbauelemente bezeichnet und können beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), MCTs (MOS Controlled Thyristor), GTOs (Gate Turn-off Thyristor), ESTs (Emitter Switched Thyristor), Thyristoren oder Bipolartransistoren sein. Auch Dioden können in dieser Art ausgelegt werden, wobei in diesem Fall in der Regel ein rückseitiges p-Gebiet durch ein hochdotiertes n-Gebiet ersetzt wird. Der vorgelagerte Feldstopp verhindert hierbei ein Eindringen der Raumladungszone in das hochdotierte n-Gebiet.Field stop layers are used for example in semiconductor devices, the in a vertical pnp structure with one at the front blocking pn junction In the n-area have such a low doping that the electric Field or the space charge zone in the case of blocking up to one rear would extend p area. Such a "penetration" of the electrical Feldes or the space charge zone is referred to as "punch-through" and causes a breakdown voltage of the semiconductor device is reduced. By using a field stop layer (Field stop devices) is between the low-doped n-type region and the back p area an additional, a little bit higher doped n-type field, through which the electric field complete is reduced. Thus, the punch-through effect can be safely avoided become. Semiconductor devices with field stop layer are used as field stop devices and can, for example IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), MCTs (MOS Controlled Thyristor), GTOs (gate turn-off thyristor), ESTs (emitter switched thyristor), Be thyristors or bipolar transistors. Even diodes can be in be designed in this way, in which case usually a back p area through a highly doped n-area is replaced. The upstream field stop prevents this Penetration of the space charge zone into the highly doped n-region.

Wenn keine Feldstoppschicht verwendet werden soll, kann alternativ das niedrig dotierte n-Gebiet so dick gemacht werden, dass das elektrische Feld bzw. die Raumladungszone auch bei Anliegen einer hohen Spannung noch "rechtzeitig" vor dem p-Emitter innerhalb des niedrig dotierten n-Gebiets endet. Hierbei ist nachteilig, dass im Vergleich zu Halbleiterbauelementen mit Feldstoppschicht bei gleicher "Spannungsfestigkeit" eine deutlich höhere Bauelement-Dicke erforderlich ist, womit hohe Durchlass- bzw. Schaltverluste auftreten. Derartige Bauelemente werden als "NPT"-(Non-Punch-Trough)- Bauelemente bezeichnet.If Alternatively, no field stop layer should be used low-doped n-area can be made so thick that the electric field or the space charge zone even when a high voltage is applied still "in time" in front of the p-emitter ends within the low-doped n-region. This is disadvantageous that compared to semiconductor devices with field stop layer at the same "dielectric strength" a significantly higher component thickness is required, which high transmission or switching losses occur. Such devices are called "NPT" - (non-punch-through) - Designated components.

Feldstoppbauelemente weisen jedoch folgende Nachteile auf: Beim Abschalten von beispielsweise IGBTs oder beim Kommutieren von Dioden tritt am entsprechenden Halbleiterbauelement eine Überspannung auf, die durch den Stromrückgang an immer vorhandenen parasitären Induktivitäten verursacht wird. Diese Überspannung kann das Halbleiterbauelement zerstören, wenn eine zulässige Betriebsspannung des Bauelements überschritten wird. Weiterhin können Probleme bei der Messung der Durchbruchspannung von Halbleiterbauelementen auftreten. Während eines derartigen Messvorgangs wird dem Halbleiterbauelement ein definierter Strom eingeprägt und die sich dabei ergebende Spannung gemessen. Der Messpunkt liegt hierbei üblicherweise in einem Steilanstiegbereich einer Durchbruchskennlinie. Bei Feldstoppbauelementen kann die Durchbruchskennlinie bereits bei sehr kleinen elektrischen Strömen einen negativen differentiellen Widerstand aufweisen. Ist dies der Fall, so wird sich der Strom bei abnehmender Spannung auf ein Filament zusammenziehen, wodurch das Halbleiterbauelement aufgrund der hohen lokalen Strom- bzw. Verlustleistungsdichte im Allgemeinen zerstört wird.Field stop devices However, they have the following disadvantages: When switching off, for example IGBTs or when commutating diodes occurs at the corresponding semiconductor device an overvoltage on that by the current decline always present parasitic inductors is caused. This overvoltage can destroy the semiconductor device when an allowable operating voltage of the component exceeded becomes. Furthermore you can Problems in measuring the breakdown voltage of semiconductor devices occur. While such a measurement process is the semiconductor device defined current impressed and the resulting voltage is measured. The measuring point is located usually in a steep slope area of a breakdown characteristic. For field stop components the breakthrough characteristic can already have a very low electrical currents have negative differential resistance. Is that the case, so the current becomes a filament as the voltage decreases contract, whereby the semiconductor device due to the high local power dissipation density is generally destroyed.

In der Druckschrift DE 197 50 827 A1 ist ein Leistungs-Halbleiterbauelement beschrieben, das eine Feldstoppschicht und mehrere p- bzw. n-Kanal-Transistoren (pn-Übergang zwischen einem Emitter und der Feldstoppschicht sowie Gates, die gegenüber den pn-Übergängen durch eine Isolierschicht elektrisch isoliert sind) aufweist. Mittels der p- bzw. n-Kanal-Transistoren können Kanäle innerhalb der Feldstoppschicht 14 induziert werden, womit Stromflüsse durch die Feldstoppschicht 14 hindurch erzeugbar sind.In the publication DE 197 50 827 A1 For example, there is described a power semiconductor device including a field stop layer and a plurality of p- and n-channel transistors, respectively (pn junction between an emitter and the field stop layer and gates which are electrically isolated from the pn junctions by an insulating layer). By means of the p- or n-channel transistors, channels within the field stop layer 14 be induced, whereby current flows through the field stop layer 14 can be produced through.

Weiterhin sei in diesem Zusammenhang auf die Druckschrift DE 44 38 896 A1 verwiesen.Continue to be in this regard to the document DE 44 38 896 A1 directed.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Halbleiterbauelement mit Feldstoppschicht anzugeben, mit dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden können.The The object underlying the invention is a semiconductor device To specify with field stop layer, with the disadvantages described above can be avoided.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 und 2 bereit. Vorteilhafte Ausführungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.to solution This object is achieved by the invention as a semiconductor component according to claim 1 and 2 ready. Advantageous designs or developments of the inventive concept can be found in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist ein Raumladungszonengebiet und eine Feldstoppschicht zur räumlichen Begrenzung einer in dem Raumladungszonengebiet ausbildbaren Raumladungszone auf. In der Feldstoppschicht ist wenigestens ein Teil eines p- oder n-Kanal-Transistors vorgesehen. Das Gate des p- oder n-Kanal-Transistors steht mit dem Raumladungszonengebiet in unmittelbarem Kontakt und ist so angeordnet, dass in Abhängigkeit der Ausdehnung der Raumladungszone oder in Abhängigkeit der Stärke eines dazu korrespondierenden elektrischen Felds eine Potentialdifferenz zwischen dem Gate und dem an das Gate angrenzenden Teil des Raumladungszonengebiets entsteht, die ausreichend hoch ist, um einen p-/n-Kanal des p- oder n-Kanal-Transistors ohne separate Ansteuerung zu induzieren/durchlässig zu schalten, so dass ein Strom über den p-/n-Kanal durch die Feldstoppschicht hindurchfließen kann.The semiconductor device according to the invention has a space charge zone region and a field stop layer for the spatial limitation of a on the space charge zone area can be formed space charge zone. At least part of a p-channel or n-channel transistor is provided in the field stop layer. The gate of the p- or n-channel transistor is in direct contact with the space charge zone region and is arranged so that depending on the expansion of the space charge region or depending on the strength of a corresponding electric field, a potential difference between the gate and the gate adjacent portion of the space charge zone region, which is sufficiently high to induce / pervode a p / n channel of the p- or n-channel transistor without separate drive, so that a current through the p- / n-channel can flow through the field stop layer.

Damit ist es einerseits möglich, die an dem Halbleiterbauelement anliegenden Spannungen ohne zusätzliche Beschaltung auf einen Höchstwert zu begrenzen, andererseits wird eine Durchbruchskennlinie erhalten, die auch bei relativ großen elektrischen Strömen einen positiven differentiellen Widerstand aufweist.In order to is it possible, on the one hand, the voltage applied to the semiconductor device voltages without additional Wiring to a maximum value too limit, on the other hand, a breakdown characteristic is obtained, even with relatively large ones electric currents has a positive differential resistance.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist vorzugsweise so ausgelegt, dass wenigstens ein Teil der Feldstoppschicht an eine Emitterschicht beziehungsweise Emitterbereich (im Folgenden als Emitterschicht bezeichnet) des Halbleiterbauelements/des p-/n-Kanal-Transistors angrenzt. Das Gate des p-/n-Kanal-Transistors ist gegenüber dem Raumladungszonen-Gebiet so angeordnet bzw. steht mit diesem derart in Verbindung, dass eine Potenzialdifferenz zwischen dem Gate und der Emitterschicht des Halbleiterbauelements bzw. des p-/n-Kanal-Transistors entsteht, wobei die Höhe der Potenzialdifferenz von dem Grad der Ausdehnung der Raumladungszone bzw. der lokalen elektrischen Feldstärke in der Raumladungszone abhängt. Der p-/n-Kanal-Transistor ist hierbei so ausgelegt, dass ab Vorliegen einer bestimmten Potenzialdifferenz das Gate einen p-/n-Kanal induziert/durchlässig schaltet.The inventive semiconductor device is preferably designed so that at least a part of the field stop layer to an emitter layer or emitter region (hereinafter referred to as emitter layer) of the semiconductor device / the p- / n-channel transistor borders. The gate of the p- / n-channel transistor is opposite to that Space charge zone area so arranged or stands with this in connection that a potential difference between the gate and the emitter layer of the semiconductor component or of the p / n-channel transistor arises, being the height the potential difference of the degree of expansion of the space charge zone or the local electric field strength in the space charge zone depends. The p- / n-channel transistor is in this case designed to be present a certain potential difference, the gate induces / perverts a p- / n-channel.

Dazu steht das Gate in unmittelbarem Kontakt mit dem Raumladungszonen-Gebiet beziehungsweise ist Teil des Raumladungszonen-Gebiets. Alternativ hierzu ist es möglich, das Gate gegenüber dem Raumladungszonen-Gebiet elektrisch zu isolieren und mit dem Raumladungszonen-Gebiet lediglich über eine eigens dafür vorgesehene elektrische Verbindung zu kontaktieren. Durch entsprechende Platzierung des in dem Raumladungszonen-Gebiet endenden Teils der elektrischen Verbindung kann hierbei die bei Ausdehnung der Raumladungszone auftretende Potenzialdifferenz zwischen dem Gate und der Emitterschicht des Halbleiterbauelements bzw. des p-/n-Kanal-Transistors gezielt eingestellt werden.To the gate is in direct contact with the space charge zone region or is part of the space charge zone area. alternative for this it is possible the gate opposite the Electrically isolate space charge zone region and with the space charge zone region only about a special one for that to contact provided electrical connection. By appropriate Placement of the ending in the space charge zone area part of electrical connection can in this case the expansion of the space charge zone occurring potential difference between the gate and the emitter layer the semiconductor device or the p / n-channel transistor targeted be set.

Die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur kann prinzipiell in allen Halbleiterbauelementen Verwendung finden, die eine Feldstoppschicht aufweisen, beispielsweise in einem IGBT-, EST-, GTO- oder MCT-Bauteil, sowie in einem Thyristor, einem Bipolartransistor oder einer Diode.The inventive semiconductor structure can in principle find use in all semiconductor devices, the have a field stop layer, for example in an IGBT, EST, GTO or MCT device, as well as in a thyristor, a bipolar transistor or a diode.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert.The Invention will be described below with reference to the figures exemplary embodiment explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 ein IGBT-Halbleiterbauelement gemäß dem Stand der Technik mit zugehöriger Feldverteilung des elektrischen Felds, das im Sperrfall durch das Ausbilden der Raumladungszone hervorgerufen wird; 1 an IGBT semiconductor device according to the prior art with associated field distribution of the electric field, which is caused in the blocking case by the formation of the space charge zone;

2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements mit Feldstoppschicht gemäß der Erfindung mit zugehörigem Potentialverlauf innerhalb und außerhalb eines Gates; 2 a first embodiment of a semiconductor device with field stop layer according to the invention with an associated potential profile inside and outside a gate;

3 eine bevorzugte Ausführungsform eines IGBT-Halbleiterbauelements mit Feldstoppschicht als erstes Anwendungsbeispiel der Erfindung; 3 a preferred embodiment of an IGBT semiconductor device with field stop layer as the first application example of the invention;

4 eine alternative Ausführungsform eines IGBT-Halbleiterbauelements mit Feldstoppschicht als zweites Anwendungsbeispiel der Erfindung; 4 an alternative embodiment of an IGBT semiconductor device with field stop layer as a second application example of the invention;

5 eine bevorzugte Ausführungsform einer Diode mit Feldstoppschicht als drittes Anwendungsbeispiel der Erfindung; 5 a preferred embodiment of a diode with field stop layer as a third embodiment of the invention;

6 eine Diode mit Feldstoppschicht gemäß dem Stand der Technik; 6 a diode with field stop layer according to the prior art;

7 ein laterales IGBT-Halbleiterbauelement mit Feldstoppschicht als viertes Anwendungsbeispiel der Erfindung; 7 a lateral IGBT semiconductor device with field stop layer as a fourth application example of the invention;

8 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines lateralen IGBT-Halbleiterbauelements mit Feldstoppschicht als fünftes Anwendungsbeispiel der Erfindung. 8th an alternative embodiment of a lateral IGBT semiconductor device with field stop layer as the fifth application example of the invention.

In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures are identical or corresponding components or component groups with the same reference numerals.

1 zeigt ein IGBT-Halbleiterbauelement 1, das folgendermaßen aufgebaut ist: auf eine Rückseitenmetallschicht 2 ist eine p-Emitterschicht 3 aufgebracht, auf der wiederum eine n-Feldstoppschicht 4 vorgesehen ist. Auf der n-Feldstoppschicht 4 ist ein n-Basisgebiet 5 vorgesehen, dessen Dotierungsstärke gegenüber der der n-Feldstoppschicht 4 gering ist. In die Oberseite des n-Basisgebiets bzw. der n-Basisschicht 5 sind ein erstes und zweites p-Körpergebiet 6, 7 eingelassen. Im ersten p-Körpergebiet 6 befindet sich ein erstes n-Sourcegebiet 8; analog hierzu ist im zweiten p-Körpergebiet 7 ein zweites n-Sourcegebiet 9 vorgesehen. Das erste p-Körpergebiet 6 ist von dem zweiten p-Körpergebiet 7 durch das n-Basisgebiet 5 getrennt. Weiterhin ist eine Isolatorschicht (Oxidschicht) 10 vorgesehen, die die Oberseite des n-Basisgebiets 5 sowie Teile des ersten und zweiten p-Körpergebiets 6, 7 bzw. des ersten und zweiten n-Sourcegebiets 8, 9 abdeckt. Innerhalb der Oxidschicht 10 ist ein Gate 11 vorgesehen. Von der Oxidschicht 10 nicht bedeckte Oberflächenteile des ersten und zweiten p-Körpergebiets 6, 7 bzw. des ersten und zweiten n-Sourcegebiets 8, 9 werden durch eine Vorderseitenmetallschicht 12 bedeckt, die auch die Oxidschicht 10 bedeckt. 1 shows an IGBT semiconductor device 1 structured as follows: on a backside metal layer 2 is a p-emitter layer 3 applied, in turn, an n-field stop layer 4 is provided. On the n-field stop layer 4 is a n-type base region 5 whose doping strength is opposite that of the n-field stop layer 4 is low. In the top of the n-base region or the n-base layer 5 are a first and second p-body area 6 . 7 admitted. In the first p-body area 6 there is a first n source region 8th ; analogous to this is in the second p-body area 7 a second n source region 9 intended. The first p-body area 6 is from the second p-body area 7 through the n-base area 5 separated. Furthermore, an insulator layer (oxide layer) 10 provided the top of the n-base area 5 and parts of the first and second p-body regions 6 . 7 or the first and second n-source regions 8th . 9 covers. Within the oxide layer 10 is a gate 11 intended. From the oxide layer 10 uncovered surface portions of the first and second p-type body areas 6 . 7 or the first and second n-source regions 8th . 9 be through a front metal layer 12 covered, which is also the oxide layer 10 covered.

Im Sperrfall wird eine vom ersten und zweiten p-Körpergebiet 6, 7 ausgehende, sich im n-Basisgebiet 5 ausbreitende Raumladungszone durch die n-Feldstoppschicht 4 gestoppt, so dass sich die mit Bezugszeichen 13 gekennzeichnete Feldverteilung ergibt.In the blocking case, one of the first and second p-body area 6 . 7 outgoing, in the n-base area 5 propagating space charge zone through the n field stop layer 4 stopped, so that with the reference numerals 13 indicated field distribution results.

In 2 ist der schematische Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1A mit Feldstoppschicht anhand einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Der in 2 gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Aufbau im Wesentlichen dadurch, dass die p-Emitterschicht 3 sowie die n-Feldstoppschicht 4 durch eine Isolatorstruktur 14 (beispielsweise Siliziumoxid) durchbrochen werden. Die Isolatorstruktur 14 weist eine hufeisenähnliche Form auf, in die ein Gate 19 eines p-Kanal-Transistors aufgenommen ist. Die Isolatorstruktur 14 isoliert das Gate 19 gegenüber der Rückseitenmetallschicht 2. In den Grenzbereichen, in denen die n-Feldstoppschicht 4 an die Isolatorstruktur 14 angrenzt, ist jeweils ein p-Kanal induzierbar/auf Durchlass schaltbar (erster und zweiter p-Kanal 15, 16). Eine Vorderseite des in 2 gezeigten Halbleiterbauteils 1A ist lediglich als schematischer pn-Übergang mit einer Vorderseitenmetallschicht 12 und einer p-Schicht 17 angedeutet. Diese beiden Schichten können durch eine beliebige andere Struktur ersetzt werden. Der p-Kanal-Transistor liegt innerhalb des mit Bezugszeichen 18 gekennzeichneten punktierten Rahmens.In 2 is the schematic structure of a semiconductor device according to the invention 1A shown with field stop layer on the basis of a preferred embodiment. The in 2 Structure shown differs from that in 1 essentially in that the p-emitter layer 3 and the n-field stop layer 4 through an insulator structure 14 (For example, silica) are broken. The insulator structure 14 has a horseshoe-like shape into which a gate 19 a p-channel transistor is received. The insulator structure 14 isolated the gate 19 opposite the backside metal layer 2 , In the boundary areas where the n-field stop layer 4 to the insulator structure 14 a p-channel is in each case inducible / switchable to passage (first and second p-channel 15 . 16 ). A front of the in 2 shown semiconductor device 1A is merely a schematic pn junction with a front metal layer 12 and a p-layer 17 indicated. These two layers can be replaced by any other structure. The p-channel transistor is within the reference numeral 18 marked dotted frame.

Durch die Isolatorstruktur 14 wird bewirkt, dass bei Ausdehnung der Raumladungszone auf ein Gebiet, das durch einen Pfeil 20 angedeutet wird, innerhalb des Gates 19 ein geringeres Potenzial vorliegt, verglichen zu Positionen, die auf der gleichen vertikalen Position innerhalb der benachbarten, lateral angrenzenden n-Feldstoppschicht 4 bzw. p-Emitterschicht 3 liegen. Diese Potenzialdifferenz bewirkt das Induzieren der beiden p-Kanäle 15, 16 bzw. das Schalten der beiden p-Kanäle 15, 16 auf Durchlass.Through the insulator structure 14 is caused when expanding the space charge zone to an area indicated by an arrow 20 is hinted inside the gate 19 there is less potential compared to positions at the same vertical position within the adjacent laterally adjacent n-field stop layer 4 or p-emitter layer 3 lie. This potential difference causes the induction of the two p-channels 15 . 16 or the switching of the two p-channels 15 . 16 on passage.

In 2 ist weiterhin ein Potentialverlauf 31 innerhalb des Gates 19 sowie ein Potentialverlauf 32 außerhalb des Gates 19 gezeigt. Der Potentialverlauf 31 innerhalb des Gates 19 ist beispielsweise der Potentialverlauf, der sich ergibt, wenn man sich entlang der linken Kante des Rahmens 18 bewegt. Analog hierzu ergibt sich der Potentialverlauf 32 außerhalb des Gates 19, wenn man sich entlang der rechten Kante des Rahmens 18 durch das Halbleiterbauelement 1A bewegt. Die beiden Potentialverläufe 31, 32 sind bis zu einem Potentialverlauf-Schnittpunkt 34 identisch, dann spalten sie sich in zwei verschiedene Potentialverläufe auf, so dass eine Potentialdifferenz 33 entsteht. Die Potentialdifferenz 33 liegt zwischen dem Gate 19 und der p-Emitterschicht 3 an und bewirkt, dass der erste bzw. zweite p-Kanal 15, 16 induziert/durchlässig gestaltet wird. Mit anderen Worten: Die Potentialdifferenz steht als Gatespannung für den p-Kanaltransistor zur Verfügung. Die Potentialverläufe für die in 3 bis 8 gezeigten Halbleiterbauelemente sind hierzu analog. Da man streng genommen diese entlang eines nicht gerade verlaufenden Pfads darzustellen hätte, sind der besseren Verständlichkeit halber derartige Potentialverläufe nicht gezeigt.In 2 is still a potential course 31 inside the gate 19 and a potential course 32 outside the gate 19 shown. The potential course 31 inside the gate 19 is, for example, the potential course that results when moving along the left edge of the frame 18 emotional. Analogous to this results the potential curve 32 outside the gate 19 if you look along the right edge of the frame 18 through the semiconductor device 1A emotional. The two potentials 31 . 32 are up to a potential course intersection 34 identical, then split into two different potentials, so that a potential difference 33 arises. The potential difference 33 lies between the gate 19 and the p-emitter layer 3 and causes the first and second p-channel, respectively 15 . 16 induced / permeable is designed. In other words, the potential difference is available as a gate voltage for the p-channel transistor. The potentials for the in 3 to 8th shown semiconductor components are analogous thereto. Since, strictly speaking, these would have to be represented along a path that is not straight, such potential courses are not shown for the sake of clarity.

Der in 3 gezeigte Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1B unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Aufbau dadurch, dass die in 2 gezeigte Vorderseitenstruktur (Vorderseitenmetallschicht 12, p-Gebiet 17) durch die in 1 gezeigte Vorderseitenstruktur ersetzt ist. Weiterhin steht das Gate 19 in direktem Kontakt mit dem n-Basisgebiet 5, das heißt, das Gate 19 besteht aus dem gleichen Material wie das n-Basisgebiet 5. Die Funktionsweise der in 3 gezeigten Ausführungsform entspricht der Funktionsweise der in 2 gezeigten Ausführungsform.The in 3 shown construction of a semiconductor device according to the invention 1B is different from the one in 2 shown construction in that the in 2 shown front side structure (front metal layer 12 , p-area 17 ) through the in 1 shown front side structure is replaced. The gate is still there 19 in direct contact with the n-base area 5 that is, the gate 19 consists of the same material as the n-base area 5 , The functioning of in 3 embodiment shown corresponds to the operation of in 2 shown embodiment.

Der in 4 gezeigte Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1C entspricht im Wesentlichen dem in 3 gezeigten Aufbau, mit der Ausnahme, dass das Gate 19 nicht vollständig aus dem Material des n-Basisgebiets 5 besteht (also nicht homogen dotiert ist), sondern aus p- beziehungsweise n-Schichten (Bezugszeichen 21 bzw. 22) besteht, die Fortführungen der lateral angrenzenden Halbleiterschichten (n-Feldstoppschicht 4 sowie p-Emitterschicht 3) darstellen. Auch in diesem Fall wird aufgrund des Vorhandenseins der Isolatorstruktur 14 eine Potenzialdifferenz zwischen dem Gate 19 und der p-Emitterschicht 3 erzeugt, wobei die Potenzialdifferenz bei Überschreiten eines gewissen Potenzial-Schwellenwerts die p-Kanäle 15, 16 (hier nicht gezeigt) induziert/durchlässig schaltet.The in 4 shown construction of a semiconductor device according to the invention 1C is essentially the same as in 3 shown construction, with the exception that the gate 19 not completely from the material of the n-base area 5 exists (that is not homogeneously doped), but from p- or n-layers (reference numerals 21 respectively. 22 ), the continuations of the laterally adjacent semiconductor layers (n-field stop layer 4 and p-emitter layer 3 ). Also in this case, due to the presence of the insulator structure 14 a potential difference between the gate 19 and the p-emitter layer 3 generated, wherein the potential difference when exceeding a certain potential threshold, the p-channels 15 . 16 (not shown here) induced / permeable switches.

In 5 ist als weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements eine Diode 1D mit Feldstoppschicht gezeigt. Der Aufbau dieser Diode unterscheidet sich von dem in 4 gezeigten Aufbau im Wesentlichen dadurch, dass die p-Emitterschicht 3 wenigstens teilweise durch eine n+-Emitterschicht 24 ersetzt ist. Die Vorderseite der Diode 1D wird durch eine p-Emitterschicht 23 und eine darauf angebrachte Vorderseitenmetallschicht 12 gebildet. Auch in diesem Fall wird aufgrund des Vorhandenseins der Isolatorstruktur 14 eine Potenzialdifferenz zwischen dem Gate 19 und der p-Emitterschicht 3 erzeugt, wobei die Potenzialdifferenz bei Überschreiten eines gewissen Potenzial-Schwellenwerts die p-Kanäle 15, 16 (hier nicht gezeigt) induziert/durchlässig schaltet.In 5 is a diode as another example of application of the semiconductor device according to the invention 1D shown with field stop layer. The structure of this diode differs from that in 4 essentially in that the p-emitter layer 3 at least partially by an n + emitter layer 24 is replaced. The front of the diode 1D is through a p-emitter layer 23 and a front side metal layer mounted thereon 12 educated. Also in this case, due to the presence of the insulator structure 14 a potential difference between the gate 19 and the p-emitter layer 3 generated, wherein the potential difference when exceeding a certain potential threshold, the p-channels 15 . 16 (not shown here) induced / permeable switches.

Das in 6 gezeigte Beispiel einer Diode 1E mit Feldstoppschicht gemäß dem Stand der Technik unterscheidet sich von dem in 5 gezeigten Aufbau 1D einer erfindungsgemäßen Diode dadurch, dass die n-Feldstoppschicht 4 bzw. die n+-Emitterschicht 24 nicht durch eine Isolatorstruktur 14 unterbrochen sind. Ein weiterer Unterschied ist, dass in die n+-Emitterschicht 24 keine p-Emitterschicht 3 integriert ist.This in 6 shown example of a diode 1E with field stop layer according to the prior art differs from that in 5 shown construction 1D a diode according to the invention in that the n-field stop layer 4 or the n + emitter layer 24 not by an insulator structure 14 are interrupted. Another difference is that in the n + emitter layer 24 no p-emitter layer 3 is integrated.

In 7 und 8 sind zu den in den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen analoge laterale Strukturen 1F, 1G von erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen gezeigt. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen lateralen IGBT-Halbleiterbauelements 1F. Das n-Basisgebiet 5 ist auf einer Oxid- bzw. Siliziumschicht (schwach p-dotiert) 25 aufgebracht. In das n-Basisgebiet 5 ist ein p-Körpergebiet 6 sowie eine p-Emitterschicht 3 eingelassen, wobei die p- Emitterschicht 3 durch eine n-Feldstoppschicht 4 von dem n-Basisgebiet 5 getrennt ist. Weiterhin ist auf dem p-Körpergebiet 6 eine Emitterschicht 26 vorgesehen, und auf der p-Emitterschicht 3 eine Kollektorschicht 27 vorgesehen.In 7 and 8th are the lateral structures analogous in the embodiments described above 1F . 1G of semiconductor devices according to the invention shown. 7 shows a preferred embodiment of a lateral IGBT semiconductor device according to the invention 1F , The n-base area 5 is on an oxide or silicon layer (weakly p-doped) 25 applied. In the n-base area 5 is a p-body area 6 and a p-emitter layer 3 embedded, wherein the p-emitter layer 3 through an n-field stop layer 4 from the n-base area 5 is disconnected. Furthermore, on the p-body area 6 an emitter layer 26 provided, and on the p-emitter layer 3 a collector layer 27 intended.

Wenn sich die Raumladungszone von dem p-Körpergebiet 6 ausgehend in Richtung der n-Feldstoppschicht 4 ausbreitet, wird diese durch die n-Feldstoppschicht 4 gestoppt. Die Isolatorstruktur 14 bewirkt hierbei, dass zwischen dem links der Isolatorstruktur 14 und dem rechts davon befindlichen Teil der n-Feldstoppschicht 4 bzw. dem rechts davon befindlichen Teil der p-Emitterschicht 3 (die zusammen ein Gate zum Induzieren eines p-Kanals 15 bilden) eine Potenzialdifferenz entsteht, die groß genug ist, um den p-Kanal 15 zu induzieren bzw. durchlässig zu schalten.If the space charge zone of the p-body area 6 starting in the direction of the n-field stop layer 4 this propagates through the n-field stop layer 4 stopped. The insulator structure 14 causes in this case that between the left of the insulator structure 14 and the right-hand portion of the n-field stop layer 4 or to the right of it located part of the p-emitter layer 3 (which together form a gate for inducing a p-channel 15 form) a potential difference that is large enough to the p-channel 15 to induce or permeable switch.

Das in 8 gezeigte Ausführungsbeispiel 1G eines erfindungsgemäßen lateralen IGBT-Halbleiterbauelements unterscheidet sich von dem in 7 gezeigten Aufbau dadurch, dass anstelle der Isolatorstruktur 14 ein zusätzliches Gate 28 vorgesehen ist, das durch eine Isolatorschicht, beispielsweise eine Oxidschicht 10 von dem n-Basisgebiet 5 elektrisch isoliert ist. Das zusätzliche Gate 28 ist jedoch mit einem innerhalb des n-Basisgebiets 5 gelegenen n-Gebiet 29 verbunden, das eine etwas höhere Dotierung als die des n-Basisgebiets 5 aufweist. Die elektrische Verbindung des zusätzlichen Gates 28 mit dem n-Gebiet 29 bewirkt, dass zwischen der p-Emitterschicht 3 und dem zusätzlichen Gate 28 eine Potenzialdifferenz entsteht, die ausreichend ist, um einen p-Kanal 15 zu induzieren bzw. durchlässig zu schalten. Die Potenzialdifferenz tritt auf, sobald eine sich von dem p-Körpergebiet 6 ausbreitende Raumladungszone das n-Gebiet 29 erreicht und dort ein elektrisches Feld ausreichender Stärke erzeugt. Durch Ändern der Position des n-Gebiets 29 (z.B. in horizontaler bzw. vertikaler Richtung) kann die Höhe einer derartigen Potenzialdifferenz gezielt eingestellt werden.This in 8th shown embodiment 1G of a lateral IGBT semiconductor device according to the invention differs from that in FIG 7 shown construction in that instead of the insulator structure 14 an additional gate 28 is provided by an insulator layer, for example, an oxide layer 10 from the n-base area 5 is electrically isolated. The additional gate 28 however, is one within the n base area 5 located n-area 29 connected, which has a slightly higher doping than that of the n-base region 5 having. The electrical connection of the additional gate 28 with the n-area 29 causes between the p-emitter layer 3 and the additional gate 28 a potential difference is created which is sufficient to form a p-channel 15 to induce or permeable switch. The potential difference occurs as soon as one of the p-body area 6 spreading space charge zone the N area 29 achieved there and generates an electric field of sufficient strength. By changing the position of the n-area 29 (For example, in the horizontal or vertical direction), the height of such a potential difference can be adjusted specifically.

Die Erfindung lässt sich auch wie folgt darstellen: Das grundlegende Prinzip der Erfindung besteht darin, bei Feldstoppbauelementen die Feldstoppschicht durch einen p-Kanal-Transistor zu überbrücken, der sich bei Anliegen einer vorbestimmten Kollektor-Emitter-Spannung oder einer bestimmten an der Feldstoppschicht anliegenden Feldstärke von selbst einschaltet und damit einen Stromfluss erzeugt.The Invention leaves may also be represented as follows: The basic principle of the invention consists of, in field stop devices, the field stop layer a p-channel transistor to bridge that when applying a predetermined collector-emitter voltage or a particular applied to the field stop layer field strength by itself turns on and thus generates a current flow.

Auf diese Weise wird die Abschaltüberspannung auf einen wert begrenzt, bei dem der p-Kanal-Transistor den von den Streuinduktivitäten erzwungenen Strom generiert. Da der Strom beim Einschalten des p-Kanal-Transistors nicht plötzlich, sondern erst allmählich mit zunehmender Spannung ansteigt, ergibt sich auch eine Durchbruchskennlinie mit positivem differentiellem Widerstand, so dass die Durchbruchspannung problemlos gemessen werden kann. Der p-Kanal-Transistor hat als Source einen rückseitigen p-Emitter, als Drain ein vorderseitiges p-Gebiet (Kanalgebiet, Bodygebiet), wobei eine die Sperrspannung aufnehmende Raumladungszone sich ausgehend vom vorderseitigen p-Gebiet bis zum Feldstoppgebiet bzw. noch ein Stück weit in dieses hinein erstreckt. Der p-Kanal bildet sich in der Feldstoppschicht zwischen dem p-Emitter und der Raumladungszone aus. Das Gate des p-Kanal-Transistors hat keinen externen Anschluss, sondern steht mit dem Ende der Raumladungszone in Verbindung und wird über die durch die Raumladungszone erzeugte Potenzialdifferenz zum p-Emitter eingeschaltet, sobald diese die Einsatzspannung des p-Kanal-Transistors überschreitet.On this is the shutdown overvoltage limited to a value at which the p-channel transistor from the the leakage inductances generated forced electricity. As the current when turning on the p-channel transistor not suddenly, but only gradually increases with increasing voltage, there is also a breakdown characteristic with positive differential resistance, so that the breakdown voltage can be measured easily. The p-channel transistor has as Source a back p-emitter, as drain a front p-region (channel region, body region), wherein a blocking voltage receiving space charge zone starting from the front p-area to the field stop area or another Piece far extends into this. The p-channel forms in the field stop layer between the p-emitter and the space charge zone. The gate of the p-channel transistor has no external connection, but is communicates with the end of the space charge zone and is over the generated by the space charge zone potential difference to the p-emitter when it exceeds the threshold voltage of the p-channel transistor.

Die Erfindung stellt somit Feldstoppbauelemente (IGBTs, ESTs, GTOs, MCTs, Dioden und dergleichen) bereit, die einen n- oder p-Kanal-Transistor aufweisen, wobei die Transistoren bei Anliegen einer bestimmten Kollektor-Emitter-Spannung oder einer bestimmten an der Feldstoppschicht anliegenden Feldstärke von selbst einschalten und damit einen Stromfluss erzeugen (2). Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass in der Rückseite des Feldstoppbauelements ein von der Rückseiten-Metallisierung isoliertes Gate angeordnet wird, das zwischen einem mit der Rückseiten-Metallisierung verbundenen Dotierungsgebiet und der im Sperrfall aufgespannten Raumladungszone einen MOS-Kanal induzieren kann (2). Das Gate kann mit der n-Basis in direktem Kontakt stehen. In 3 und 4 sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen das genannte Dotierungsgebiet der rückseitige p-Emitter ist. In 5 ist eine Diode gezeigt, wobei das genannte Dotierungsgebiet ein zum rückseitigen n-Emitter parallel angeordnetes p-Gebiet ist. Das Gate kann hierbei wie die n-Basis dotiert sein (2, 3) oder alternativ wie die jeweils lateral angrenzenden Gebiete (4, 5) oder auch anders (hoch n- oder p-dotiert, dotiertes Polysilizium).The invention thus provides field stop devices (IGBTs, ESTs, GTOs, MCTs, diodes, and the like) having an n- or p-channel transistor, which transistors are provided upon application of a certain collector-emitter voltage or a specific applied to the field stop layer field strength by itself and thus generate a current flow ( 2 ). This is preferably achieved by arranging in the rear side of the field stop component a gate which is insulated from the rear side metallization and which can induce a MOS channel between a doping region connected to the rear side metallization and the space charge zone spanned in the blocking case ( 2 ). The gate may be in direct contact with the n-base. In 3 and 4 Embodiments are shown in which said doping region is the backside p-emitter. In 5 a diode is shown, wherein said doping region is a p-region arranged parallel to the backside n-emitter. The gate can here be doped like the n-base ( 2 . 3 ) or, alternatively, as the respective laterally adjacent regions ( 4 . 5 ) or otherwise (highly n- or p-doped, doped polysilicon).

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in [2] Bauelemente beschrieben werden, die sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite schaltbare MOS-Kanäle aufweisen. In [3] ist eine ähnliche Struktur gezeigt, bei der die Gates jeweils in Trenchs (Gräben) angeordnet sind. Weitere Strukturen mit Rückseitengates sind in [4, 5] gezeigt. Bei all diesen Strukturen geht es darum, das Rückseitengate gezielt über einen separaten zugehörigen Anschluss zu schalten, um das Ein- oder Ausschalten oder auch die Art des Durchlasszustandes zu beeinflussen.Of the completeness it should be mentioned, that in [2] components are described, both on the front as well as on the back Switchable MOS channels exhibit. In [3] is a similar structure shown, in which the gates are each arranged in trenches (trenches) are. Other structures with backside gates are shown in [4, 5]. All these structures are about the back gate deliberately over a separate associated Connection to turn on or off or even the Type of Durchlasszustandes influence.

Alle beschriebenen Ausführungsformen können natürlich invers dotiert sein, d. h. n- und p-Gebiete können miteinander vertauscht sein.All described embodiments can Naturally be inversely doped, d. H. n and p regions can be interchanged be.

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11
IGBT-HalbleiterbauelementIGBT semiconductor device
22
RückseitenmetallschichtBack metal layer
33
p-Emitterschichtp-emitter layer
44
n-FeldstoppschichtN-type field stop layer
55
n-Basisgebietn-type base region
66
erstes p-Körpergebietfirst p-body region
77
zweites p-Körpergebietsecond p-body region
88th
erstes n-Sourcegebietfirst n-type source region
99
zweites n-Sourcegebietsecond n-type source region
1010
Oxidschichtoxide
1111
Gategate
1212
VorderseitenmetallschichtFront metal layer
1313
Feldverteilungfield distribution
1414
Isolatorstrukturinsulator structure
1515
erster p-Kanalfirst p-channel
1616
zweier p-Kanaltwo p-channel
1717
p-Schichtp-layer
1818
Rahmenframe
1919
Gategate
2020
Pfeilarrow
2121
n-Schichtn-layer
2222
p-Schichtp-layer
2323
p-Emitterschichtp-emitter layer
2424
n+-Emitterschichtn + emitter layer
2525
Oxid- bzw. SiliziumschichtOxide- or silicon layer
2626
Emitterschichtemitter layer
2727
Kollektorschichtcollector layer
2828
zusätzliches Gateadditional gate
2929
n-Gebietn-region
3030
elektrische Verbindungelectrical connection
3131
Potentialverlauf innerhalb des Gatespotential curve inside the gate
3232
Potentialverlauf außerhalb des Gatespotential curve outside of the gate
3333
Potentialdifferenzpotential difference
3434
Potentialverlauf-SchnittpunktPotential curve intersection

Claims (4)

Halbleiterbauelement (1A bis 1F), das ein Raumladungszonengebiet (5) und eine Feldstoppschicht (4) zur räumlichen Begrenzung einer in dem Raumladungszonengebiet (5) ausbildbaren Raumladungszone aufweist, wobei in der Feldstoppschicht (4) wenigestens ein Teil eines p- oder n-Kanal-Transistors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gate (14, 19) des p- oder n-Kanal-Transistors mit dem Raumladungszonengebiet (5) in unmittelbarem Kontakt steht und so angeordnet ist, dass in Abhängigkeit der Ausdehnung der Raumladungszone oder in Abhängigkeit der Stärke eines dazu korrespondierenden elektrischen Feldes eine Potentialdifferenz zwischen dem Gate (14, 19) und dem an das Gate angrenzenden Teil des Raumladungszonengebiets (5) entsteht, die ausreichend hoch ist, um einen p-/n-Kanal (15, 16) des p- oder n-Kanal-Transistors zu induzieren/durchlässig zu schalten, so dass ein Strom über den p-/n-Kanal (15, 16) durch die Feldstoppschicht (4) hindurch fließen kann.Semiconductor device ( 1A to 1F ), which is a space charge zone area ( 5 ) and a field stop layer ( 4 ) for the spatial delimitation of one in the space charge zone area ( 5 ) can be formed space charge zone, wherein in the field stop layer ( 4 ) at least a portion of a p- or n-channel transistor is provided, characterized in that the gate ( 14 . 19 ) of the p- or n-channel transistor with the space charge zone region ( 5 ) is in direct contact and is arranged so that, depending on the extent of the space charge zone or depending on the strength of a corresponding electric field, a potential difference between the gate ( 14 . 19 ) and the part of the space charge zone area adjoining the gate ( 5 ), which is sufficiently high to form a p / n channel ( 15 . 16 ) of the p- or n-channel transistor to turn on / pervert, so that a current through the p- / n-channel ( 15 . 16 ) through the field stop layer ( 4 ) can flow through. Halbleiterbauelement (1G), das ein Raumladungszonengebiet (5) und eine Feldstoppschicht (4) zur räumlichen Begrenzung einer in dem Raumladungszonengebiet (5) ausbildbaren Raumladungszone aufweist, wobei in der Feldstoppschicht (4) wenigestens ein Teil eines p- oder n-Kanal-Transistors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gate (28) des p- oder n-Kanal-Transistors gegenüber dem Raumladungszonengebiet (5) elektrisch isoliert ist, jedoch über eine elektrische Verbindung (30) mit einem bestimmten Bereich (29) des Raumladungszonengebiets (5) in elektrischem Kontakt steht und so angeordnet ist, dass in Abhängigkeit der Ausdehnung der Raumladungszone oder in Abhängigkeit der Stärke eines dazu korrespondierenden elektrischen Feldes eine Potentialdifferenz zwischen dem Gate (28) und dem bestimmten Bereich des Raumladungszonengebiets entsteht, die ausreichend hoch ist, um einen p-/n-Kanal (15, 16) des p- oder n-Kanal-Transistors ohne separate Ansteuerung zu induzieren/durchlässig zu schalten, so dass ein Strom über den p-/n-Kanal (15, 16) durch die Feldstoppschicht (4) hindurch fließen kann.Semiconductor device ( 1G ), which is a space charge zone area ( 5 ) and a field stop layer ( 4 ) for the spatial delimitation of one in the space charge zone area ( 5 ) can be formed space charge zone, wherein in the field stop layer ( 4 ) at least a portion of a p- or n-channel transistor is provided, characterized in that the gate ( 28 ) of the p- or n-channel transistor with respect to the space charge zone region ( 5 ) is electrically isolated, but via an electrical connection ( 30 ) with a certain range ( 29 ) of the space charge zone area ( 5 ) is in electrical contact and is arranged so that, depending on the extent of the space charge zone or in dependence the strength of a corresponding electric field a potential difference between the gate ( 28 ) and the particular area of the space charge zone area that is sufficiently high to form a p / n channel ( 15 . 16 ) of the p- or n-channel transistor without separate activation / to switch permeable, so that a current through the p- / n-channel ( 15 . 16 ) through the field stop layer ( 4 ) can flow through. Halbleiterbauelement (1A bis 1G) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Feldstoppschicht (4) an eine Emitterschicht (3) des Halbleiterbauelements (1A bis 1G) bzw. des p-/n-Kanals (15, 16) angrenzt.Semiconductor device ( 1A to 1G ) according to claim 1 or 2, characterized in that at least a part of the field stop layer ( 4 ) to an emitter layer ( 3 ) of the semiconductor device ( 1A to 1G ) or the p / n channel ( 15 . 16 ) adjoins. Halbleiterbauelement (1A bis 1G) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein IGBT-, EST-, GTO- oder MCT-Bauteil, ein Thyristor, ein Bipolartransistor bzw. eine Diode ist.Semiconductor device ( 1A to 1G ) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor component is an IGBT, EST, GTO or MCT component, a thyristor, a bipolar transistor or a diode.
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