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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein
solches Bauelement mit einem Halbleiterkörper in dem wenigstens ein
Halbleiterübergang zwischen
einer ersten Halbleiterzone eines ersten Leitungstyps, die in einem
Innenbereich im Bereich einer ersten Seite des Halbleiterkörpers angeordnet ist,
und einer zweiten Halbleiterzone, die sich in vertikaler Richtung
an die erste Halbleiterzone anschließt, ist beispielsweise in der
DE 100 19 813 C2 beschrieben.
Bei diesem Bauelement ist angrenzend an die erste Halbleiterzone,
in der zweiten Halbleiterzone eine stärker als die zweite Halbleiterzone
dotierte dritte Halbleiterzone ausgebildet ist. Diese dritte Halbleiterzone
soll bei Anliegen einer den pn-Übergang
in Sperrrichtung polenden Spannung eine rasche Reduktion der elektrischen
Feldstärke
im Bereich des pn-Übergangs
bewirken und trägt
insgesamt zu einer Reduktion der Spannungsfestigkeit des Bauelements
im Innenbereich bei, um den Ort eines möglichen Spannungsdurchbruchs
vom Randbereich, der eine geringere Spannungsfestigkeit als der
Innenbereich besitzt, in den Innenbereich zu verlagern.
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Die
EP 405 200 A1 beschreibt
ein als IGBT ausgebildetes Halbleiterbauelement mit einem zwischen
einer p-dotierten Kollektorzone und einer n-dotierten Basiszone
gebildeten pn-Übergang.
In der Basiszone ist bei diesem Bauelement eine stark n-dotierte
Rekombinationszone angeordnet, die selbst so hoch dotiert ist, dass
sie ein Durchgreifen der Raumladungszone verhindert und die Aussparungen
aufweist, in denen ein Durchgreifen der Raumladungszone möglich ist.
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Die
nachveröffentlichte
DE 102 40 107 A1 beschreibt
einen asymmetrischen Thyristor mit einer in einer n-dotierten Basiszone
angeordneten Stoppzone.
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Probleme
bei Halbleiter-Leistungsbauelementen kann ein zu rascher (harter) Übergang
vom leitenden in den sperrenden Zustand hervorrufen, wie nachfolgend
kurz erläutert
ist.
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Bei
Leistungsbauelementen ist die zweite Halbleiterzone schwächer als
die erste Halbleiterzone dotiert und dient bei sperrendem Halbleiterübergang
zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone im Wesentlichen zur
Aufnahme einer anliegenden Sperrspannung.
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Bei
in Flussrichtung gepoltem Halbleiterübergang ist diese zweite Halbleiterzone
von Ladungsträgern überflutet.
Wird dieser zunächst
in Flussrichtung gepolte Halbleiterübergang anschließend in
Sperrrichtung gepolt, so fließt
wegen der in der zweiten Halbleiterzone vorhandenen Ladungsträger zunächst weiter
ein Strom bis diese Ladungsträger
aus der zweiten Halbleiterzone abgeführt sind.
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Die
Stromänderung über der
Zeit (di/dt) beim Abschalten des Bauelements führt zu induzierten Spannungen
an unvermeidlich vorhandenen parasitären Induktivitäten, beispielsweise
in Zuleitungen, die mit steigendem di/dt zunehmen. Um diese Spannungen
zu begrenzen, ist es wünschenswert,
beim Abschalten des Bauelements keinen "Stromabriss" mit einer extrem großen Stromänderung über der
Zeit und den damit verbundenen hohen Spannungen an parasitären Induktivitäten zu erreichen.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Halbleiterbauelement
der eingangs genannten Art mit einem sanften Abschaltverhalten,
also einer begrenzten Stromsteilheit beim Abschalten, zur Verfügung zu
stellen.
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Dieses
Ziel wird durch ein Bauelement gemäß der Merkmale des Anspruchs
1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Das
Bauelement ist als vertikales Halbleiterbauelement ausgebildet und
umfasst einen Halbleiterkörper
mit einem Innenbereich und einem zwischen dem Innenbereich und einem
Rand des Halbleiterkörpers
angeordneten Randbereich, sowie wenigstens einen Halbleiterübergang
zwischen einer ersten Halbleiterzone eines ersten Leistungstyps,
die im Bereich einer ersten Seite des Halbleiterkörpers im
Innenbereich angeordnet ist, und einer zweiten Halbleiterzone, die
sich in vertikaler Richtung an die erste Halbleiterzone anschließt. Das
Bauelement umfasst außerdem
eine zusammenhängende
dritte Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps, die in vertikaler
Richtung des Halbleiterkörpers
beabstandet zu der ersten Halbleiterzone in der zweiten Halbleiterzone
angeordnet ist und die sich in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers bis
an den Randbereich erstreckt. Die Dotierung der dritten Halbleiterzone
ist dabei so gewählt,
dass sie bei Anlegen einer Sperrspannung an den pn-Übergang
vollständig
an Ladungsträgern
ausgeräumt
wird.
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Die
Abmessungen der dritten Halbleiterzone in vertikaler Richtung des
Halbleiterkörpers
sind vorzugsweise wesentlich kleiner sind als eine Dicke des Halbleiterkörpers oder
die Abmessungen der zweiten Halbleiterzone in vertikaler Richtung.
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Die
dritte Halbleiterzone, die höher
als die zweite Halbleiterzone dotiert ist, reduziert die Spannungsfestigkeit
des Bauelements im Innenbereich gegenüber einem Bauelement ohne solche
dritte Halbleiterzone im Innenbereich. Die Dotierung der dritten
Halbleiterzone, und damit die Absenkung der Spannungsfestigkeit
im Innenbereich, ist vorzugsweise so auf die Spannungsfestigkeit
im Randbereich des Bauelements abgestimmt, dass die Spannungsfestigkeit
im Innenbereich knapp unterhalb der Spannungsfestigkeit im Randbereich
liegt. Hierdurch wird erreicht, dass ein Durchbruch des Bauelements bei
Erreichen der maximalen Sperrspannung im Innenbereich auftritt.
Hierdurch tritt der Durchbruch an einer üblicherweise wesentlich größeren Querschnittsfläche als
bei einem Durch bruch im Randbereich auf. Der Durchbruchstrom ist
auf eine größere Querschnittsfläche verteilt,
woraus eine größere Stromtragfähigkeit
im Durchbruchsfall resultiert. Die Spannungsfestigkeit des Bauelements,
die durch die jeweils niedrigere der Spannungsfestigkeiten im Innenbereich
und Randbereich bestimmt ist, wird durch die dritte Halbleiterzone
dabei nicht oder nur unwesentlich beeinflusst.
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Die
Anordnung der dritten Halbleiterzone beabstandet zu der ersten Halbleiterzone
bewirkt darüber
hinaus ein sanftes Abschaltverhalten bei einem Übergang des Bauelements vom
leitenden in den sperrenden Zustand. Die Steilheit der Flanke eines das
Bauelement beim Übergang
von leitendem in sperrenden Zustand durchfließenden Stromes wird mit zunehmendem
Abstand der dritten Halbleiterzone zu der ersten Halbleiterzone
geringer, das Abschaltverhalten mit zunehmendem Abstand also sanfter.
Allerdings nimmt die gewünschte
Reduktion der Spannungsfestigkeit mit zunehmendem Abstand der dritten
Halbleiterzone zu der ersten Halbleiterzone ab. Idealerweise beträgt der Abstand
der dritten Halbleiterzone zu der ersten Seite in vertikaler Richtung
des Halbleiterkörpers
zwischen 10% und 50% der Dicke bzw. der Abmessungen in vertikaler
Richtung der zweiten Halbleiterzone.
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In
lateraler Richtung des Halbleiterkörpers reicht die dritte Halbleiterzone
nicht bis in den Randbereich, da sie im Randbereich sonst zu einer
weiteren, hier unerwünschten
Absenkung der Sperrfähigkeit
führen
würde.
Die dritte Halbleiterzone endet in lateralere Richtung beispielsweise
innerhalb eines die erste Halbleiterzone kontaktierenden Metallkontakts.
Neben einer Absenkung der Sperrspannung im Innenbereich des Bauelements
hat die im Vergleich zur zweiten Halbleiterzone stärker dotierte
dritte Halbleiterzone darüber
hinaus die Wirkung, bei Anlegen einer gegebenen Spannung die Eindringtiefe
des elektrischen Feldes ausgehend von dem pn-Übergang in die zweite Halbleiterzone
hinein im Vergleich zu einem Bauelement ohne solche dritte Halbleiterzone
zu reduzieren.
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Die
Abmessungen der zweiten Halbleiterzone in vertikaler Richtung des
Bauelements, die so bemessen sein müssen, dass das elektrische
Feld bei Anlegen einer Betriebsspannung innerhalb der zweiten Halbleiterzone
endet, können
dadurch reduziert werden, was sich positiv auf den Einschaltwiderstand im
leitenden Zustand des Bauelements und positiv bezüglich seiner
Abschaltverluste auswirkt.
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Außerdem besteht
auch die Möglichkeit,
in der zweiten Halbleiterzone beabstandet zu der dritten Halbleiterzone
eine Feldstoppzone vorzusehen, die vom selben Leitungstyp wie die
zweite Halbleiterzone ist und die so stark dotiert ist, dass das
elektrische Feld bei Anlegen einer Sperrspannung nicht über die
Feldstoppzone hinaus reicht. Die Abmessungen der zweiten Halbleiterzone
können
durch Vorsehen einer solchen Feldstoppzone weiter reduziert werden.
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Die
Dotierung der dritten Halbleiterzone ist vorzugsweise so gewählt ist,
dass eine durch die dritte Halbleiterzone bewirkte Reduktion der
Spannungsfestigkeit im Innenbereich zwischen 10% und 20% der Spannungsfestigkeit
beträgt,
die ohne solche dritte Halbleiterzone vorliegen würde.
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Die
beabstandet zu der ersten Seite angeordnete dritte Halbleiterzone
ist beispielsweise n-dotiert. Die Dotierung kann in diesem Fall
durch wasserstoffinduzierte Donatoren gebildet sein. Zur Erzeugung
solcher wasserstoffinduzierter Donatoren wird das Bauelement in
hinlänglich
bekannter Weise ausgehend von einer der Seiten mit Protonen bestrahlt und
anschließend
einem Temperaturschritt unterzogen. Der Abstand einer solchen durch
wasserstoffinduzierte Donatoren gebildeten dritten Halbleiterzone zu
der bestrahlten Seite kann über
die Bestrahlungsenergie der Protonen eingestellt werden.
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Das
erfindungsgemäße Konzept,
in der zweiten Halbleiterzone beabstandet zu dem pn-Übergang
eine stärker
als die zweite Halbleiterzone dotierte dritte Halbleiterzone vorzusehen,
ist auf beliebige, einen pn-Übergang
aufweisende vertikale Halbleiterbauelemente, insbesondere pn-Dioden, Feldeffekttransistoren
oder IGBTs anwendbar.
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Bei
Dioden bildet die erste Halbleiterzone beispielsweise die Anodenzone
und die zweite Halbleiterzone die Basiszone des Bauelements, an
die sich eine stärker
dotierte Kathodenzone anschließt.
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Die
erste Halbleiterzone bildet bei einem Feldeffekttransistor die Body-Zone
und bei IGBT die Basiszone, während
die zweite Halbleiterzone bei einem MOSFET die Driftzone und bei
einem IGBT die Basiszone bildet. Bei einem MOSFET schließt sich an
die Driftzone eine Drain-Zone an, die vom selben Leistungstyp wie
die Driftzone, aber stärker
dotiert ist, und bei einem IGBT schließt sich an die Basiszone eine
komplementär
zu der Basiszone dotierte Kollektorzone an. Außerdem ist in der Body-Zone/Basiszone
eine komplementär
dotierte Anschlusszone, die die Emitterzone bei einem IGBT und die
Source-Zone bei einem MOSFET bildet, sowie eine isoliert gegenüber dem
Halbleiterkörper
angeordnete Ansteuerelektrode vorhanden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in
Seitenansicht im Querschnitt.
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2 zeigt
den Verlauf des Betrages der elektrischen Feldstärke in vertikaler Richtung
bei einem Bauelement nach 1 bei Anlegen
einer Sperrspannung.
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3 zeigt
im Querschnitt ausschnittsweise ein als MOSFET bzw. IGBT ausgebildetes
erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Bereiche mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
in Seitenansicht im Querschnitt ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement,
das einen Halbleiterkörper 100 mit
einem Innenbereich 105 und einem zwischen dem Innenbereich 105 und
einem Rand 103 angeordneten Randbereich 104 umfasst.
Im Innenbereich 105 ist ein pn-Übergang
zwischen einer ersten Halbleiterzone 30 und einer sich
in vertikaler Richtung an die erste Halbleiterzone 30 anschließenden zweiten Halbleiterzone 21 gebildet.
Die erste Halbleiterzone 30 ist im Bereich einer Vorderseite 101 angeordnet und
in dem Beispiel wannenförmig
ausgebildet.
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Die
erste Halbleiterzone 30 ist in dem Ausführungsbeispiel p-dotiert und bildet
die Emitterzone bzw. Anodenzone der Diode. Die zweite Halbleiterzone 21 ist
komplementär
zu der Anodenzone 30, und damit n-dotiert. Die zweite Halbleiterzone 21 bildet die
Basiszone der pn-Diode, an die sich an einer der Anodenzone 30 abgewandten
Seite eine stärker
als die Basiszone dotierte vierte Halbleiterzone 23 anschließt, die
die Kathodenzone der Diode bildet.
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In
der zweiten Halbleiterzone 21 ist beabstandet zu der ersten
Halbleiterzone 30, und damit beabstandet zu dem pn-Übergang zwischen der ersten
Halbleiterzone 30 und der zweiten Halbleiterzone 21,
eine dritte Halbleiterzone 22 vorgesehen, die vom selben
Leitungstyp wie die zweite Halbleiterzone 21, jedoch stärker als
diese zweite Halbleiterzone 21 dotiert ist. Die dritte
Halbleiterzone 22 ist in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100,
also in einer Richtung parallel zu der Vorderseite 101 bzw.
einer Rückseite 102 als
durchgehende Zone ausgebildet und erstreckt sich im Innenbereich 105 bis
an den Randbereich 104 und nicht bis an den Rand 103.
Die Dotierung dieser dritten Halbleiterzone 22 ist so gewählt, dass sie
bei Anlegen einer Sperrspannung an den pn-Übergang vollständig an
Ladungsträgern ausgeräumt werden
kann, was gleichbedeutend damit ist, dass ein elektrisches Feld,
das sich bei Anlegen einer Sperrspannung ausgehend von dem pn-Übergang
in der zweiten Halbleiterzone 21 ausbreitet, die dritte
Halbleiterzone 22 bei zunehmender Sperrspannung durchgreift.
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Zum
Anlegen einer solchen Sperrspannung umfasst das Bauelement schematisch
dargestellte Anoden- und Kathodenanschlüsse A, K, wobei der Anodenanschluss
durch eine auf die Vorderseite 101 im Bereich der Anodenzone 30 aufgebrachte
elektrisch leitende Schicht 50, beispielsweise eine Metallisierung,
gebildet ist.
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Es
ist bei Bauelementen, die einen pn-Übergang in einem Innenbereich
und die einen Randbereich aufweisen, hinlänglich bekannt, dass die Spannungsfestigkeit
im Randbereich aufgrund unterschiedlicher Effekte geringer ist als
im Innenbereich bzw. Volumen des Bauelements. Zur Steigerung der Spannungsfestigkeit
im Randbereich sind verschiedenste Konzepte, wie beispielsweise
das Einbringen von Feldringen in den Halbleiterkörper im Randbereich und/oder
das Aufbringen von Feldplatten oberhalb des Randbereiches bekannt.
Derartige Randabschlüsse
zur Steigerung der Spannungsfestigkeit im Randbereich sind beispielsweise
in Baliga: "Power
Semiconductor Devices",
PWS Publishing, 1996, Seiten 81 bis 122 beschrieben.
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Stellvertretend
für solche
Randabschlusskonzepte ist in 1 eine Feldplatte 70 dargestellt, die
isoliert durch eine Isolationsschicht 60 oberhalb des Randbereiches
angeordnet ist.
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Selbst
bei gut dimensionierten Randabschlüssen beträgt die Spannungsfestigkeit im
Randbereich lediglich etwa 80% bis 90% der Volumensperrfähigkeit.
Die Spannungsfestigkeit des Randbereiches begrenzt bei solchen Bauelementen somit
die Spannungsfestigkeit des gesamten Bauelementes. Steigt bei einem solchen
Bauelement die Sperrspannung so weit an, bis die Sperrfähigkeit
des Randbereiches erreicht ist, kommt es im Randbereich zu einem
Spannungsdurchbruch, während
die Spannungsfestigkeit im Innenbereich noch nicht erreicht ist.
Der durch Spannungsdurchbruch erzeugte Lawinenstrom ist dadurch
auf den flächenmäßig im Vergleich
zum Innenbereich wesentlich kleineren Randbereich beschränkt, was
zu einer Filamentierung des Stromes und damit zu einer Zerstörung des Bauelementes
im Randbereich führen
kann.
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Die
dritte Halbleiterzone 22 des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes
ist so dotiert, dass sie eine Reduktion der Spannungsfestigkeit
des Bauelementes im Innenbereich bewirkt, wobei über die Dotierung und die Position
der dritten Halbleiterzone 22 bezogen auf den pn-Übergang
die Volumensperrfähigkeit
im Innenbereich 105 vorzugsweise so eingestellt wird, dass
sie der Spannungsfestigkeit im Randbereich 104 entspricht,
bzw. knapp unterhalb dieser Spannungsfestigkeit im Randbereich liegt. Hierdurch
wird gewährleistet,
dass bei Anlegen einer großen
Sperrspannung ein Spannungsdurchbruch im flächenmäßig wesentlich größeren Innenbereich 104 auftritt.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Abmessungen
des Innenbereich 105 und des Randbereichs 104 bei
dem Bauelement gemäß 1 nicht
maßstabsgetreu
dargestellt sind.
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Die
Auswirkungen der dritten Halbleiterzone 22 auf die Spannungsfestigkeit
des Innenbereichs werden nachfolgend anhand von 2 erläutert.
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2 zeigt
den Betrag des elektrischen Feldes in der zweiten Halbleiterzone 21 in
einer Richtung x ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der ersten
Halbleiterzone 30 und der zweiten Halbleiterzone 21 für eine vorgegebene
Sperrspannung. Der Betrag dieses elektrischen Feldes nimmt ausgehend
von dem pn-Übergang
mit zunehmendem Abstand x ab, wobei die Steilheit der Abnahme des
elektrischen Feldes von der Dotierung der zweiten Halbleiterzone 21 und
der dritten Halbleiterzone 22 abhängig ist. Die in 2 dargestellt
durchgezogene Linie, die den Verlauf des elektrischen Feldes für das Bauelement
gemäß 1 repräsentiert,
umfasst zwei flacher verlaufende Abschnitte I, II, deren Steilheit
durch die Dotierung der zweiten Halbleiterzone 21 bestimmt
ist, sowie einen steiler verlaufenden dritten Abschnitt III, dessen
Steilheit durch die Dotierung in der dritten Halbleiterzone 22 bestimmt
ist.
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Ist
die Durchbruchspannung so gewählt, dass
der Betrag der Feldstärke
am pn-Übergang
der kritischen Feldstärke
(Ekrit) entspricht, so ergibt sich in hinlänglich bekannter Weise die
Spannungsfestigkeit des Bauelementes aus dem Integral des Betrages
der elektrischen Feldstärke
bzw. aus der Fläche unter
der Kurve des Betrags der elektrischen Feldstärke. Bei der kritischen Feldstärke können Ladungsträger innerhalb
der freien Weglänge
soviel kinetische Energie aufnehmen, dass sie zur Bildung von weiteren
Elektron-Loch-Paaren ausreicht. Durch die dadurch einsetzende Lawinenmultiplikation
wird die maximale Sperrfähigkeit
des Bauelements begrenzt.
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Die
in 2 dargestellte strichpunktierte Kurve zeigt den
Verlauf der elektrischen Feldstärke für den Innenbereich
eines Bauelementes ohne eine solche dritte Halbleiterzone 22.
Die Steilheit des Verlaufes dieser elektrischen Feldstärke ist
in diesem Fall ausschließlich
abhängig
von der Dotierung der zweiten Halbleiterzone 21, so dass
im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Bauelement ein steiler
verlaufender Zwischenabschnitt fehlt. Insgesamt resultiert aus dem
Fehlen der dritten Halbleiter 22 eine höhere Spannungsfestigkeit, was
an der im Vergleich zur Kurve I, II, III größeren Fläche unter der Kurve unmittelbar
ersichtlich ist.
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Der
in
2 gestrichelt eingezeichnete Kurvenverlauf, der
in den Abschnitt II des Kurvenverlaufes des erfindungsgemäßen Bauelement übergeht, zeigt
den Feldstärkeverlauf
bei einem Bauelement gemäß der bereits
eingangs erwähnten
DE 100 198 13 C2 , bei
dem sich eine stärker
n-dotierte Halbleiterzone unmittelbar an die p-dotierte Halbleiterzone
des pn-Übergangs
anschließt.
Es ist unmittelbar ersichtlich, dass die Spannungsfestigkeit des
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes,
bei der die stärker dotierte
Halbleiterzone
22 beabstandet zu dem pn-Übergang
angeordnet ist, größer ist
als die Spannungsfestigkeit des Bauelements nach dem erläuterten
Stand der Technik.
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Darüber hinaus
bewirkt die beabstandet zu dem pn-Übergang angeordnete stärker dotierte
dritte Halbleiterzone 22 ein sanftes Abschaltverhalten
des Bauelementes beim Übergang
vom leitenden in den sperrenden Zustand. Das Bauelement gemäß 1 leitet,
wenn eine positive Spannung zwischen dem Anoden- und dem Kathodenanschluss A, K anliegt, und
es sperrt, wenn eine negative Spannung zwischen diesen Anschlüssen angelegt
wird.
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Beim Übergang
vom Durchlass- in den Sperrzustand wird die Überschwemmungsladung aus dem
Bauelement entfernt und gleichzeitig in den ausgeräumten Gebieten
ein elektrisches Feld beginnend von den vorderseitigen Gebieten 30 bzw. 31 aufgebaut.
Sobald das elektrische Feld die dritte Halbleiterzone 22 erreicht,
kann der Spannungsanstieg – bei
gleichzeitig unveränderter
Entfernung der Überschwemmungsladung
aus den tieferen Schichten – schneller
erfolgen. Das elektrische Feld greift also bei gleicher anliegender
Spannung weniger weit in die Tiefe des Halbleiters, wodurch länger Überschwemmungsladungsträger für das sanfte
Schaltverhalten zur Verfügung
stehen.
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Je
höher die
integrale Dotierstoffdosis der dritten Halbleiterzone 22 in
vertikaler Richtung ist, desto ausgeprägter ist dieses Verhalten.
Allerdings sinkt die Spannungsfestigkeit des Innenbereichs im gleichen
Maß.
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Wie
erläutert,
besitzt das Bauelement nach 1 im Innenbereich
eine niedrigere Spannungsfestigkeit als ein Bauele ment ohne solche
dritte Halbleiterzone 22. Da die Spannungsfestigkeit des
gesamten Bauelementes jedoch durch die Spannungsfestigkeit im Randbereich
bestimmt ist, die üblicherweise
unter der Volumensperrfähigkeit
liegt, hat das Vorsehen der dritten Halbleiterzone 22 keine
Auswirkungen auf die Spannungsfestigkeit des gesamten Bauelementes.
Diese dritte Halbleiterzone bewirkt vielmehr, dass ein Spannungsdurchbruch
im Innenbereich 105 des Bauelementes auftritt, wodurch
im Durchbruchsfall höhere
Durchbruchströme
fließen können, bevor
es zu einer Zerstörung
des Bauelementes kommt.
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Wesentlich
für die
Spannungsfestigkeit des in 1 dargestellten
Bauelementes ist auch, dass das elektrische Feld bei Anlegen einer
Sperrspannung in der ersten Halbleiterzone 21 endet. Da
sich bei diesem Bauelement bezugnehmend auf 2 das elektrische
Feld ausgehend vom pn-Übergang weniger
weit als bei einem Bauelement ohne solche dritte Halbleiterzone
ausbreitet, können
bei dem erfindungsgemäßen Bauelement
die Abmessungen der ersten Halbleiterzone 21 geringer dimensioniert werden,
was sich positiv auf den Einschaltwiderstand und die Schaltverluste
des Bauelementes auswirkt.
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Eine
weitere Reduzierung der Abmessungen der zweiten Halbleiterzone 21 kann
durch Vorsehen einer stärker
als die zweite Halbleiterzone 21 dotierten Feldstoppzone 24 erreicht
werden, die in 1 gestrichelt dargestellt ist.
Diese Feldstoppzone 24 ist so hoch dotiert, dass das elektrische
Feld bei Anlegen einer Sperrspannung diese hochdotierte Feldstoppzone 24 nicht
durchdringt. Mit IV ist in 2 der Verlauf
des elektrischen Feldes bei Vorsehen einer solchen Feldstoppzone 24 bezeichnet.
Das elektrische Feld endet in diesem Fall im Bereich der Feldstoppzone 24 woraus
gegenüber
einem Bauelement ohne Feldstoppzone 24 eine geringfügige Verringerung
der Spannungsfestigkeit resultiert. Sofern eine solche weitere Verringerung
der Spannungsfestigkeit in Kauf genommen werden kann, besitzt das
Vorsehen der Feldstoppzone 24 jedoch den Vorteil, dass die
Abmessungen der ersten Halbleiterzone 21 in vertikaler
Richtung des Bauelementes weiter reduziert werden können.
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Die
dritte Halbleiterzone 22 kann bezugnehmend auf 1 beispielsweise
durch Innenimplantation ausgehend von der Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers
realisiert werden. Der Abstand der dritten Halbleiterzone 22 zu
der Vorderseite 101 kann dabei über die Implantationsenergie
eingestellt werden.
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Wegen
seiner bei einer vorgegebenen Bestrahlungsenergie großen Eindringtiefe
eignet sich zur Herstellung einer n-dotierten Halbleiterzone 22 insbesondere
Wasserstoff. Bei Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Protonen und anschließender Temperaturbehandlung
entstehen sogenannte wasserstoffinduzierte Donatoren, die eine n-dotierende Wirkung
besitzen. Diese wasserstoffinduzierten Donatoren werden durch die
Temperaturbehandlung aktiviert, wobei die Temperaturbehandlung außerdem eine
Diffusion der Protonen in dem Kristallgitter bewirkt. Das Temperaturbudget
dieser Temperaturbehandlung liegt vorzugsweise im unteren zulässigen Bereich,
um eine möglichst
geringe Diffusion und damit einen genau abgegrenzten dotierten Bereich
für die
dritte Halbleiterzone 22 zu erhalten. Typische Temperaturbudgets
für die
Temperaturbehandlung liegen zwischen 350°C und 500°C bei Zeitdauern zwischen 10
min bis 100 min.
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Das
erfindungsgemäße Konzept,
beabstandet zu einem pn-Übergang
eine vergrabene Halbleiterzone in einer der beiden den pn-Übergang
bildenden Halbleiterzonen vorzusehen, die darüber hinaus stärker als
diese Halbleiterzone dotiert ist, ist auf beliebige, einen pn-Übergang
aufweisende Halbleiterbauelemente anwendbar.
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3 zeigt
ausschnittsweise ein als Feldeffekttransistor ausgebildetes, eine
solche stärker
dotierte dritte Halbleiterzone (22) aufweisendes Halbleiterbauelement.
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Das
Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer
Vorderseite 101 und einer Rückseite 102 der mehrere
erste Halbleiterzonen 31 aufweist, die im Bereich der Vorderseite 101 in
eine komplementär
dotierte Halbleiterzone 21 eingebettet sind. Diese ersten
Halbleiterzonen 31 sind Teil eines Zellenfeldes des Transistors
und bilden dessen Body-Zonen, während
die zweite Halbleiterzone 21 bei einer IGBT die Basiszone
und einem MOSFET die Driftzone bildet. In den Body-Zonen 31 sind
komplementär
zu den Body-Zone 31 dotierte Halbleiterzonen 41 angeordnet,
die bei einem IGBT dessen Emitterzonen und bei einem MOSFET dessen
Source-Zonen bilden. Zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors sind
Gate-Elektroden 71 vorhanden, die benachbart zu den Body-Zonen 31 und
isoliert durch eine Isolationsschicht 61 gegenüber dem
Halbleiterkörper 100 angeordnet
sind. Die Body-Zonen 31 und die Anschlusszonen 41 sind
durch eine Anschlusselektrode 51, die den Emitteranschluss
E bzw. Source-Anschluss S des Bauelementes bildet, kurzgeschlossen.
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Im
Bereich der Rückseite 102 des
Bauelementes schließt
sich an die Basiszone/Driftzone 21 eine stark dotierte
Halbleiterzone 23 an, die bei einem IGBT komplementär zu der
Basiszone/Driftzone 21 dotiert ist und die Kollektorzone
bildet und die bei einem MOSFET vom selben Leitungstyp wie die Driftzone
ist und die Drain-Zone bildet.
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In
vertikaler Richtung beabstandet zu den Body-Zonen 31 bzw.
beabstandet zu dem Zellenfeld ist eine dritte Halbleiterzone 22 vorhanden,
die vom selben Leitungstyp wie die Basiszone/Driftzone 21 ist,
die jedoch stärker
als die Basiszone/Driftzone 21 dotiert ist.
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Diese
dritte Halbleiterzone 22 reduziert in bereits erläuterter
Weise die Spannungsfestigkeit des Bauelementes im Innenbereich 105 bei
Anlegen einer Sperrspannung. Das Bauelement gemäß 3 wird in
Sperrrichtung betrieben, wenn kein Ansteuerpotential an der Gate-Elektrode
anliegt, und wenn eine positive Spannung zwischen dem Kathoden- bzw.
Drain-Anschluss K und dem Emitter- bzw. Source-Anschluss E, S anliegt.
Der Verlauf des elektrischen Feldes in der Driftzone 21 entspricht
in diesem Fall dem in 2 dargestellten Verlauf.
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Unabhängig von
der konkreten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelementes gilt, dass
die durch die dritte Halbleiterzone 22 bewirkte Reduktion
der Spannungsfestigkeit vorzugsweise zwischen 10% und 20% der Spannungsfestigkeit
eines Bauelementes ohne solche dritte Halbleiterschicht beträgt. In diesem
Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung in 2,
die das elektrische Feld im Innenbereich zeigt, von einem idealen,
sich in lateraler Richtung nach allen Seiten unendlich ausbreitenden
pn-Übergang
ausgeht, bei der also keine Randeffekte zu berücksichtigen sind.
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Der
Abstand der dritten Halbleiterzone 22 zu der Vorderseite 101 in
vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers beträgt vorzugsweise zwischen 10% und
50% der Dicke des gesamten Halbleiterkörpers 100.
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Wenngleich
die Erfindung im Zusammenhang mit einem Diodenbauelement und einem
Transistorbauelement erläutert
wurde, sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung bei beliebigen,
einen pn-Übergang
aufweisenden Bauelementen mit beliebigen Zell- und Randkonzepten einsetzbar ist.
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- A
- Anodenanschluss
- D
- Drain-Anschluss
- E
- Emitteranschluss
- G
- Gate-Anschluss
- K
- Kathodenanschluss,
Kollektoranschluss
- S
- Source-Anschluss
- 21
- zweite
Halbleiterzone, Basiszone, Driftzone
- 22
- dritte
Halbleiterzone
- 23
- vierte
Halbleiterzone, Kathodenzone, Drain-Zone, Kollektorzone
- 30
- erste
Halbleiterzone, Anodenzone
- 31
- erste
Halbleiterzone, Body-Zone
- 41
- Source-Zone,
Kollektorzone
- 50
- Anschlusselektrode
- 61
- Isolationsschicht
- 70
- Feldplatte
- 71
- Gate-Elektrode
- 100
- Halbleiterkörper
- 101
- Vorderseite
des Halbleiterkörpers
- 102
- Randbereich