DE19843893A1 - Leistungshalbleiterdiode - Google Patents

Abstract

psn-Diode in Silizium mit Kathodenkurzschlüssen zur Verkürzung des Teilstromes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiter­ diode, die insbesondere als Freilaufdiode von schnellschal­ tenden Leistungshalbleiterbauelementen eingesetzt werden kann.

Als Freilaufdioden von MOSFETs und IGBTs, z. B. in Umrich­ tern, werden Leistungshalbleiterdioden gebraucht, die niedri­ ge Durchlaß- und Schaltverluste aufweisen und deren Kommutie­ rungsverhalten bestimmte Eigenschaften aufweist. Bei einer Kommutierung, d. h. einer Umpolung der Diode aus der Flußrich­ tung in die Sperrichtung soll ein in Sperrichtung auftreten­ der Rückstrom stetig auf 0 abklingen und nicht abreißen. Der Rückstrom soll andererseits möglichst schnell auf 0 absinken, und die im Kommutierungsvorgang aus dem Bauelement extrahier­ te Ladung soll gering sein. Die dynamischen und statischen Eigenschaften von Leistungshalbleiterdioden werden durch die Einstellung der Dicke, des lateralen Dotierungsprofils und der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger beeinflußt. Damit der Rückstrom stetig abklingt, werden die Dicke und die Grunddotierung des Materials der Dioden so gewählt, daß bei Erreichen der typischen Zwischenkreisspannung, die nach dem Kommutieren der Diode anliegt, ein kathodenseitiger Bereich der Basis von einigen 10 µm Länge feldfrei bleibt (Non-Punch- Through). Die Korrelation zwischen den Durchlaß- und Schalt­ verlusten wird durch die Dotierung der Anode und Kathode so­ wie über die gezielte Reduktion der Lebensdauer der Ladungs­ träger eingestellt. Die Trägerlebensdauer kann reduziert wer­ den, indem Schwermetallatome (Gold, Platin) eindiffundiert werden oder indem das Halbleitermaterial mit Elektronen, Pro­ tonen oder Heliumionen bestrahlt wird. Die damit erzeugten Rekombinationszentren für Ladungsträger können vertikal zur Schichtebene der Diode homogen verteilt sein oder inhomogen (H⁺, He⁺⁺). Bei dem heute üblicherweise verwendeten Design (Emcon-Konzept) wird eine stationäre Ladungsträgerverteilung mit einer kathodenseitigen Anhebung eingestellt. Das führt zu sehr ausgeprägten Rückströmen in der Spätphase des Kommutie­ rungsvorgangs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungs­ halbleiterdiode anzugeben, deren Rückstrom nach der Kommutie­ rung relativ schnell stetig abklingt, ohne jedoch abzureißen, und bei der die Relation aus Durchlaßverlusten und Schaltver­ lusten mit hoher Genauigkeit reproduzierbar eingestellt wer­ den kann.

Diese Aufgabe wird mit der Leistungshalbleiterdiode mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Leistungshalbleiterdiode ist eine psn- Diode, vorzugsweise in Silizium, deren Kathode mit Kathoden­ kurzschlüssen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps oder deren Anode mit Anodenkurzschlüssen so strukturiert ist, daß in Verbindung mit den gewählten Dotierungskonzentrationen die gewünschten Eigenschaften erreicht werden. Ein Abreißen des Rückstromes wird bei der erfindungsgemäßen Diode dadurch ver­ hindert, daß ab einer bestimmten Stärke des Rückstromes eine Injektion von Löchern aus dem Gebiet des Kurzschlusses er­ folgt, so daß eine allzu starke Abnahme des Rückstromes ver­ hindert wird. Der Wert der Stromstärke, bei dem dieser Effekt auftritt, wird durch die lateralen Abmessungen der die Kurz­ schlüsse bewirkenden Gebiete sowie durch die Dotierungshöhe der Basis am Übergang zwischen Basis und Kathode (bzw. Anode) eingestellt.

Es folgt eine Beschreibung der Diode anhand eines typischen Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Bauelementstruktur im Querschnitt.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm für ein typisches Ladungsträger­ profil der Diode.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm für den auftretenden Strom nach einer Kommutierung der erfindungsgemäßen und einer herkömmli­ chen Diode.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Schicht folge aus einer er­ sten Schicht 1, die p-leitend dotiert ist und die Anode der Diode bildet, einer zweiten Schicht 2 (Basis), die undotiert oder schwach, vorzugsweise n⁻-leitend, dotiert ist, und einer dritten Schicht 3 als Kathode, die n⁺-leitend dotiert ist. Die erste Schicht 1 und die dritte Schicht 3 sind auf ihren von der zweiten Schicht 2 abgewandten Oberflächen in herkömm­ licher Weise mit Kontakten für elektrischen Anschluß versehen (nicht eingezeichnet). Bei der erfindungsgemäßen Diode sind in einer äußeren Halbleiterschicht, vorzugsweise in der Ka­ thode, Bereiche entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps als Kurzschlußbereiche vorhanden. Ein solcher Bereich 4, der p⁺-leitend dotiert ist und sich in der dritten Schicht 3 (Kathode) an der kontaktierten Oberfläche dieser Schicht be­ findet, ist in Fig. 1 als Beispiel eingezeichnet. Die Anord­ nung des entgegengesetzt dotierten Bereiches in der Kathode ist je nach Ausführungsform frei wählbar. Es können auch meh­ rere solcher Bereiche im Abstand zueinander vorhanden sein. In Fig. 1 ist noch eine Zwischenschicht 5 zwischen der Basis (zweite Schicht 2) und der dritten Schicht 3 vorhanden, in der die Dotierungskonzentration gegenüber der zweiten Schicht 2 angehoben ist. Diese Zwischenschicht 5 kann ein Schichtan­ teil der zweiten Schicht 2 mit zur dritten Schicht 3 hin stark zunehmender Dotierungskonzentration sein. Die Zwischen­ schicht 5 wirkt als Pufferschicht, um den Punch-through- Durchbruch zu verhindern.

Diese Struktur kann z. B. hergestellt werden, indem in dem Kathodenbereich mittels einer Maske durch eine Implantation von Boratomen Bereiche mit p-Dotierung erzeugt werden (Kurzschlußgebiete, Shorts). Die Profile der Ladungsträger im stationären Betriebszustand der Diode bei Anliegen einer Spannung in Durchlaßrichtung hängen von dem flächenmäßigen Anteil der p-leitend dotierten Bereiche an der gesamten Ka­ thodenfläche ab. Eine Absenkung der Lebensdauer der Ladungs­ träger durch Bestrahlen oder Schwermetalldiffusion ist nicht erforderlich, kann aber zusätzlich vorhanden sein.

In Fig. 2 ist eine typische Verteilung der Ladungsträger im Abstand von der kathodenseitigen Oberfläche des Halbleiter­ körpers an den beiden in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlini­ en a bzw. b dargestellt. Auf der Abszisse ist der Abstand senkrecht zur Schichtebene in Mikrometern aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Konzentration von Ladungsträgern in cm^-3 aufgetragen. Den eingezeichneten Kurven liegt eine typische Stromdichte im Betrieb der Diode zugrunde. Die gespeicherte Ladung ist bei der erfindungsgemäßen Diode niedriger als bei herkömmlichen Dioden. Das führt dazu, daß der Rückstrom bei der erfindungsgemäßen Diode schneller auf 0 absinkt, wie das in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Abszisse die Zeit in Mikrosekunden ab dem Zeitpunkt der Kommutierung der Diode aufgetragen ist und auf der Ordinate die Stromstärke in Am­ pere aufgetragen ist. Bei der herkömmlichen Diode (gestrichelte Kurve 7) klingt der Rückstrom allmählich ab. Im Gegensatz dazu fällt der Rückstrom bei der erfindungsgemäßen Diode (durchgezogene Kurve B) relativ schnell stetig auf 0 ab (in diesem Beispiel innerhalb von 0,6 µs). Bei der erfin­ dungsgemäßen Diode wird bei der Kommutierung erheblich weni­ ger Ladung aus dem Bauelement extrahiert als bei herkömmli­ chen Dioden, und die in der Diode anfallende Verlustenergie ist ebenfalls erheblich geringer. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Diode ist die Tatsache, daß ihr Verhältnis aus Durchlaßverlusten und Schaltverlusten mit hoher Genauig­ keit und guter Reproduzierbarkeit durch die Dotierungskonzen­ trationen und die Abmessungen der in der Kathode vorhandenen entgegengesetzten Bereiche eingestellt werden kann. Die er­ findungsgemäße Diodenstruktur kann grundsätzlich bei allen Freilaufdioden, z. B. der Spannungsklassen von 600 V-6500 V, eingesetzt werden.

Claims (4)

1. Leistungshalbleiterdiode mit übereinander
einer für einen ersten Leitfähigkeitstyp dotierten ersten Schicht (1),
einer höchstens schwach dotierten zweiten Schicht (2),
einer für den entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp do­ tierten dritten Schicht (3),
je einem Kontakt auf Oberflächen der ersten und dritten Schicht, die jeweils von der zweiten Schicht abgewandt sind, und mit
mindestens einem in der dritten Schicht vorhandenen und min­ destens bis an die mit dem Kontakt versehene Oberfläche rei­ chenden Bereich (4), der für den ersten Leitfähigkeitstyp do­ tiert ist.

2. Diode nach Anspruch 1, bei der die zweite Schicht (2) niedrig für den zweiten Leit­ fähigkeitstyp dotiert ist.

3. Diode nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Höhe der Dotierung der dritten Schicht (3), die Höhe der Dotierung jedes Bereiches vom ersten Leitfähig­ keitstyp in der dritten Schicht und der flächenmäßige Anteil aller dieser Bereiche an der dritten Schicht so eingestellt sind, daß nach einer Kommutierung der Diode mit einer Sperr­ spannung von bis zu 6000 V ein auftretender Rückstrom späte­ stens nach 1 µs stetig auf seinen minimalen Wert abgesunken ist.

4. Diode nach einem der Ansprüche 1-3, bei der der erste Leitfähigkeitstyp n-Leitung und der zweite Leitfähigkeitstyp p-Leitung ist.