DE4014207A1 - Bipolares, ueber ein gate abschaltbares leistungshalbleiter-bauelement - Google Patents

Bipolares, ueber ein gate abschaltbares leistungshalbleiter-bauelement

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DE4014207A1 DE19904014207 DE4014207A DE4014207A1 DE 4014207 A1 DE4014207 A1 DE 4014207A1 DE 19904014207 DE19904014207 DE 19904014207 DE 4014207 A DE4014207 A DE 4014207A DE 4014207 A1 DE4014207 A1 DE 4014207A1
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Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft insbesondere ein bipo­ lares, über ein Gate abschaltbares Leistungshalbleiter- Bauelement, umfassend
  • a) ein Halbleitersubstrat mit einer Kathode und einer Anode und einer dazwischen angeordneten, bipolaren Schichtstruktur;
  • b) auf der Kathodenseite eine für das An- und Abschal­ ten des Bauelements vorgesehene Gate-Kathoden-Struk­ tur mit einem Kathodengate, welches über erste Gate­ elektroden mit dem Halbleitersubstrat leitend ver­ bunden ist, und einer Mehrzahl von mit der Kathode verbundenen, n⁺-dotierten n-Emittergebieten; und
  • c) innerhalb der bipolaren Schichtstruktur eine schwach n-dotierte n-Basisschicht.
Ein solches Bauelement ist in der speziellen Ausgestal­ tung eines Feldgesteuerten Thyristors FCTh z.B. aus der US-PS-40 37 245 oder in der speziellen Ausgestaltung ei­ nes Gate-Turn-Off-Thyristors GTO z.B. aus der DE-C2-31 34 074 bekannt.
STAND DER TECHNIK
Bauelemente ohne isoliertes Gate wie der Gate Turn-Off- Thyristor GTO oder der Feldgesteuerte Thyristor FCTh (siehe dazu: H. Grüning et al., IEEE Int. Electron Dev. Meet. Techn. Dig. (1986), S. 110-113) verfügen über ein niedrig dotiertes Basisgebiet, über welchem im Sperrfall die Spannung abfällt.
Je nach der Höhe der Sperrspannung, für die das betref­ fende Bauelement ausgelegt ist, ist diese Basiszone mehr oder weniger dick. Bei den hier interessierenden Sperr­ spannungen von bis zu mehreren kV ergeben sich Basisdic­ ken von etwa ein bis zu mehreren 100 µm.
Im eingeschalteten Zustand ist das Basisgebiet stark von Elektronen und Löchern überflutet. Erst durch diese Überflutung wird der Widerstand des Bauelements im Durch­ laßbereich so klein, daß die anfallende Verlustleistung in Grenzen gehalten werden kann.
Andererseits ist mit diesem Prinzip eine Reihe von Nach­ teilen verbunden, die sich besonders dann zeigen, wenn das Bauelement abgeschaltet werden soll: Um nämlich die volle Sperrspannung aufnehmen zu können, muß die gesamte Überschußladung abgebaut werden. Dazu werden die La­ dungsträger über das Gate abgeführt. Dies erfordert Gate­ ströme in der Größenordnung des Abschaltstroms, sodaß ein sicheres Abschalten nur durch eine besondere Ausge­ staltung der Gate-Kathoden-Struktur und eine besondere Auslegung des Gatekreises erreicht werden kann.
Darüber hinaus entsteht bei noch nicht vollständig abge­ bauter Überschußladung und bereits wiederkehrender Spannung eine Abschaltverlustleistung, die das Bauelement abführen muß. Auch dies begrenzt die maximal möglichen Schaltfrequenzen.
Schließlich muß auch berücksichtigt werden, daß Löcher in der Abschaltphase bei den o.g. Bauelementen Auslöser für Phänomene wie den "Dynamic Avalanche" und/oder die Ausbildung von Stromfilamenten sein können.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bipo­ lare, über ein nicht isoliertes Gate abschaltbare Lei­ stungshalbleiter-Bauelemente zu schaffen, die mit gerin­ geren Gateströmen auskommen und zugleich schnell und si­ cher abgeschaltet werden können.
Die Aufgabe wird bei einem Bauelement der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß
  • d) auf der Anodenseite eine Mehrzahl von mit der Anode verbundenen, p⁺-dotierten p-Emittergebieten angeord­ net sind, welche in die n-Basisschicht hineinreichen und zur Unterstützung des Abschaltvorganges mit MOS- gesteuerten Emitterkurzschlüssen versehen sind.
Derartige MOS-gesteuerte Emitterkurzschlüsse auf der Ano­ denseite sind prinzipiell für abschaltbare Bauelemente mit isoliertem Gate wie den MOS-gesteuerten Thyristor MCT (siehe dazu: EP-B1-00 28 797 oder EP-A2-00 81 642) oder den Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT (siehe dazu: A. Nakagawa, Power Electronics Specialists Conference PESC ′88, S. 84-90 (1988)) bereits bekannt.
Allerdings werden bei diesen Bauelementen wegen des iso­ lierten Gates die Ladungsträger beim Abschalten nicht über das Gate abgeführt. Der nur zur Ladung der Gatekapa­ zität benötigte Gatestrom ist daher deutlich geringer als bei den Bauelementen ohne isoliertes Gate.
Die schaltbaren Anodenkurzschlüsse beeinflussen in diesem Fall nicht so sehr den Gatestrom, sondern dienen vielmehr hauptsächlich dazu, die Abschaltzeit zu verkürzen.
Grundlage der vorliegenden Erfindung ist nun die Erkennt­ nis, daß derartige anodenseitige MOS-gesteuerte Emitter­ kurzschlüsse bei Bauelementen mit nicht isoliertem Gate wesentlich die Größe des Gatestroms beeinflussen und da­ mit eine Vereinfachung und Verbesserung in der Ansteue­ rung ermöglichen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß
  • a) die bipolare Schichtstruktur die Struktur eines feldgesteuerten Thyristors FCTh ist; und
  • b) die ersten Gateelektroden mit p-dotierten Gate­ bereichen in Verbindung stehen, welche zwischen den n-Emittergebieten in die n-Basisschicht hineinrei­ chen.
Insbesondere wird durch die verbesserte Steuerfähigkeit eine vereinfachte FCTh-Struktur ermöglicht, die sich da­ durch auszeichnet, daß
  • a) die Gate-Kathoden-Struktur planar ist;
  • b) die n-Emittergebiete von der Oberfläche her in die n-Basisschicht hineinreichen; und
  • c) die Gatebereiche ebenfalls von der Oberfläche her in die n-Basisschicht hineinreichen und zusammen mit den dazwischenliegenden Bereichen der n-Basisschicht feldgesteuerte Kanäle bilden.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeich­ net, daß
  • a) die bipolare Schichtstruktur die Struktur eines über ein Gate abschaltbaren Thyristors GTO ist; und
  • b) das Halbleitersubstrat auf der Kathodenseite eine p-dotierte p-Basisschicht aufweist, in welche die n-Emitter­ gebiete von der Oberfläche her hineinreichen und welche zwischen den n-Emittergebieten mit den ersten Gateelektroden kontaktiert ist.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Bauele­ ment nach der Erfindung in Form eines FCTh mit stufenförmiger Gate-Kathoden-Struktur und Lang­ kanalsteuerung;
Fig. 2 die Löcherkonzentration in einem FCTh gemäß Fig. 1 zu verschiedenen Zeitpunkten während des Abschaltens;
Fig. 3 ein zu Fig. 1 vergleichbares Bauelement mit zu­ sätzlicher Stoppschicht;
Fig. 4 ein zu Fig. 1 vergleichbares Bauelement mit ver­ tikalen MOS-Strukturen auf der Anodenseite;
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Bau­ element nach der Erfindung in Form eines FCTh mit planarer Gate-Kathoden-Struktur und Kurzka­ nalsteuerung; und
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für ein Bauelement nach der Erfindung in Form eines GTO.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Vorgänge in einem Bauelement nach der Erfindung sol­ len im wesentlichen an dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel erläutert werden, welches von einem FCTh mit stufenförmiger Gate-Kathoden-Struktur ausgeht, wie sie beispielsweise von H. Grüning et al., IEEE Int. Elec­ tron Dev. Meet. Techn. Dig., S. 110-113 (1986), beschrie­ ben worden ist.
Bei diesem Bauelement ist in einem Halbleitersubstrat 1 zwischen einer Anode A und einer Kathode K eine dicke, n⁻-dotierte n-Basisschicht 7 angeordnet. Die n-Basisschicht 7 erstreckt sich bis in streifenförmige Kathodenfinger 6 hinein, die auf der Kathodenseite aus einer tieferliegen­ den Gateebene herausragen und durch Gräben 16 voneinander getrennt sind.
Auf der Oberseite der Kathodenfinger 16 sind in die n-Ba­ sisschicht 7 n⁺-dotierte n-Emittergebiete 4 eingelassen und durch Kathodenelektroden 2 kontaktiert, welche ihrer­ seits mit der Kathode K verbunden sind.
In die Wände und Böden der Gräben 16 sind p-dotierte Gatebereiche 5 eingelassen, die zusammen mit den dazwi­ schenliegenden Bereichen der n-Basisschicht 7 einen feld­ gesteuerten Langkanal bilden. Der Anschluß der Gatebe­ reiche 5 an ein Kathodengate GK erfolgt über erste Gate­ elektroden 3, die auf den Böden der Gräben 16 angebracht sind.
Auf der Anodenseite ist im Halbleitersubstrat 1 eine Vielzahl von einzelnen p⁺-dotierten p-Emittergebieten 8 vorgesehen, die von der Oberfläche her in die n-Basis­ schicht 7 hineinreichen und durch eine gemeinsame, groß­ flächige Anodenmetallisierung 13 kontaktiert werden.
Jedes p-Emittergebiet 8 ist mit MOS-gesteuerten Kurz­ schlüssen ausgestattet, die jeweils aus einem n⁺-dotier­ ten n-Sourcegebiet 9, einem p-dotierten p-Kanalgebiet 10, der n-Basisschicht 7 und einer mittels einer Gateisolie­ rung 11 isolierten zweiten Gateelektrode 12 bestehen. Die zweiten Gateelektroden 12 sind an ein gemeinsames Anoden­ gate GA angeschlossen.
Es ist wesentlich, in der Fig. 1 zu erkennen, daß durch Einschalten der MOS-gesteuerten Kurzschlüsse auf der Ano­ denseite, d.h. durch einen Kurzschluß der Anode, das dargestellte Bauelement vom Betrieb mit beidseitiger In­ jektion von Elektronen und Löchern in die n-Basisschicht 7 (bipolarer Stromtransport) in den Transistorbetrieb (Unÿunction-Transistor, unipolarer Stromtransport) mit Elektronenfluß von der Kathode zur kurzgeschlossenen Anode wechselt.
Die Struktur der MOS-Anodenkurzschlüsse kann dabei so ausgeführt werden, daß die Löcherinjektion innerhalb we­ niger Nanosekunden vollständig unterbrochen wird. Für den Betrieb in Vorwärtsrichtung sind die Anodenkurzschlüsse natürlich nicht aktiviert. Dieser Mechanismus kann be­ nutzt werden, um das Abschalten des Bauelements (im Fall der Fig. 1 des FCTh) zu verbessern.
Es wird vorausgesetzt, daß der FCTh im Durchlaß betrie­ ben wird, so daß das Basisgebiet (n-Basisschicht 7) hochgradig von Elektronen und Löchern überflutet ist. Es wird weiter vorausgesetzt, daß das Anodengate GA zu ei­ ner Zeit T vor dem Aktivieren des Kathodengates GK einge­ schaltet wird.
Während der Zeit T fließen weiterhin Elektronen von der Kathode K zur Anode A; allerdings werden von der Anode A von dem Zeitpunkt an, in dem sie kurzgeschlossen wurde, keine Löcher mehr injiziert (voraussetzungsgemäß erfolgt ja der Kurzschluß der Anode A in wenigen Nanosekunden, also sehr schnell im Vergleich zum Ausräumprozeß). Aus diesem Grunde klingt die Löcherdichte im Bauelement wäh­ rend der Zeitspanne T bereits ab, wie dies in Fig. 2 an­ hand der Löcherdichte ch zwischen Kathode K und Anode A für vier aufeinanderfolgende Zeitpunkte 0, T1, T2 und T3 innerhalb der Zeitspanne T dargestellt ist.
Hieraus ergeben sich nun einige Vorteile zum Zeitpunkt des endgültigen Abschaltens am Kathodengate GK, also dann, wenn die Zeit T verflossen ist. Genau dann wird der Elektronenfluß von der Kathode unterbrochen. Die noch in der Basis vorhandenen Elektronen müssen nun nicht über den vergleichsweise langsamen Mechanismus der Rekombina­ tion vernichtet werden, sondern können schnell über die Inversionskanäle in den p-Kanalgebieten 10 in die n- Sourcegebiete 9 abfließen.
Dieser Prozeß wird durch eine n-dotierte Stoppschicht, deren Dotierung typischerweise im Bereich von 1016 bis 1017 cm-3 liegt, noch wesentlich verstärkt. Eine solche n-Stoppschicht 14 ist in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 vorgesehen.
Durch schaltbare Anodenkurzschlüsse und die n-Stopp­ schicht 14 kann der Abschaltvorgang noch schneller ablau­ fen und die hohen Abklingströme, welche ein Anzeichen für Ladungsträgerextraktion durch Rekombination sind, redu­ ziert werden. Dies entspricht einer Verringerung der Ab­ schaltverluste.
Wie schon erwähnt wurde, ist die Löcherdichte an der Ano­ de zum Zeitpunkt der Aktivierung des Kathodengates stark abgefallen. Desgleichen werden wegen des aktivierten Kurzschlusses bereits seit der Zeit T keine weiteren Lö­ cher von der Anode A nachgeliefert. Wegen der reduzierten Löcherdichte kann der Einsatz des dynamischen Avalanche zu erheblich höheren Anodenstromdichten verschoben wer­ den, was sich natürlich in einer Vergrößerung des SOA- Bereiches des Bauelements niederschlägt.
Letztendlich ist insbesondere auch der Löcherstrom, wel­ cher nach dem Aktivieren des Kathodengates noch über die­ sen Kontakt aus dem Bauelement fließt, je nach Länge der Zeit T (bis zu einigen µs) und der Lebensdauer der Löcher (ebenfalls im Bereich von einigen µs) erheblich verrin­ gert worden (auf Werte von z.B. 20 bis 50% des normalen Abschalt-Gatestroms). Damit ist die Möglichkeit gegeben, das Bauelement in konventioneller Weise mit einer Ab­ schaltstromverstärkung von größer als eins zu betreiben.
Durch die Verringerung der Löcherdichte zum eigentlichen Abschaltzeitpunkt (Einschalten des Kathodengates GK) er­ hält man ebenfalls einen Freiheitsgrad für das Design des Bauelements zurück. Es sind nämlich dann höhere Ladungs­ träger-Lebensdauern vertretbar, so daß weniger von den Methoden des "lifetime killing" Gebrauch gemacht werden muß. Dies bedeutet natürlich, daß der ON-Widerstand und damit die Durchlaßverluste entsprechend verkleinert wer­ den können.
Es sei noch am Rande erwähnt, daß die Struktur gemäß Fig. 1 auch bidirektionale Eigenschaften besitzt. Wenn man Anode und Kathode vertauscht, entspricht die Struktur aus Kathode, MOS-Gates, n-Basisschicht 7 und n-Emittergebiet 4 einem Leistungs-MOSFET. Das ursprüngliche FCTh-Gate ist hierbei offen. Legt man dagegen das positive Anodenpoten­ tial an das ursprüngliche FCTh-Gate und läßt die n⁺-Ano­ de offen, so ist eine IGBT-Struktur vorhanden.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines FCTh weist planare MOS-gesteuerte Anodenkurzschlüsse auf. We­ sentlich geringere MOS-Kanalwiderstände sind mit vertika­ len MOS-Strukturen erzielbar. Dies ist wichtig für einen möglichst geringen ON-Widerstand im Betrieb als Unÿunc­ tion-Transistor und hilft darüber hinaus, die Packaging- Probleme zu verkleinern. Ein entsprechendes Ausführungs­ beispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Auch dieses Ausfüh­ rungsbeispiel ist mit einer Stoppschicht gemäß Fig. 3 denkbar.
In allen bisher beschriebenen Beispielen ist die gleiche Periodizität der Strukturen auf der Anoden- und Kathoden­ seite nur wegen der größeren Übersichtlichkeit der Dar­ stellung gewählt worden. Es sollte angestrebt werden, die Abmessungen der MOS-Kurzschlußzellen so klein wie nur möglich zu machen (Grenzen setzen hierbei die verwendete Technologie und die Ausbeute). Im Bereich des Möglichen liegen derzeit Abmessungen von etwa 15 µm für planare Kurzschluß-Strukturen und 6 µm für Zellen mit vertikalen MOSFETs.
Wird das Bauelement in der angedeuteten Weise betrieben (Kurzschluß der Anode T Sekunden vor Einschalten des FCTh- oder Kathodengates), so kann bei hinreichend gro­ ßen Zeiten T erreicht werden, daß die Löcherdichte so­ weit reduziert ist, daß selbst mit planaren FCTh-Struk­ turen ein ausreichender Durchgriff für das Kathodengate erreichbar ist. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel für einen planaren FCTh ohne Stoppschicht ist in Fig. 5 wiedergegeben, wobei für einen verbesserten Kontakt am Kathodengate GK unter den ersten Gateelektroden 3 zusätz­ liche p⁺-Gebiete 15 angeordnet sind. Selbstverständlich ist die gleiche Struktur auch mit einer Stoppschicht denkbar. Desweiteren kann die planare FCTh-Struktur der Fig. 5 ebenfalls mit vertikalen MOSFETs als Anodenkurz­ schlüssen ausgeführt werden.
Fig. 6 zeigt schließlich als weiteres Ausführungsbeispiel einen GTO-Thyristor mit einer Anode, welche planare MOS- Strukturen enthält. Die Kathodenelektroden 2 kontaktieren hier n⁺-dotierte n-Emittergebiete 18, die in eine katho­ denseitige, p-dotierte p-Basisschicht 17 hineinreichen, welche zwischen den n-Emittergebieten 18 mit den ersten Gateelektroden 3 versehen ist.
Natürlich kann auch dieses Bauelement mit vertikalen MOS- FETs auf der Anodenseite ausgeführt werden. Beide GTO-Va­ rianten können wiederum eine zusätzliche Stoppschicht aufweisen.
Insgesamt stehen mit der Erfindung bipolare, über ein nicht-isoliertes Gate abschaltbare Bauelemente zur Verfü­ gung, die folgende Vorteile aufweisen:
  • - Betrieb mit einer Abschaltstrom-Verstärkung größer 1;
  • - Verringerung der Abschaltverluste durch Reduktion der Abklingströme;
  • - Verringerter ON-Widerstand dank höherer Lebensdauer;
  • - Verbesserte Stabilität gegen den dynamischen Ava­ lanche.

Claims (8)

1. Bipolares, über ein Gate abschaltbares Leistungshalb­ leiter-Bauelement, umfassend
  • a) ein Halbleitersubstrat (1) mit einer Kathode (K) und einer Anode (A) und einer dazwischen angeordneten, bipolaren Schichtstruktur;
  • b) auf der Kathodenseite eine für das An- und Abschal­ ten des Bauelements vorgesehene Gate-Kathoden-Struk­ tur mit einem Kathodengate (GK), welches über erste Gateelektroden (3) mit dem Halbleitersubstrat (1) leitend verbunden ist, und einer Mehrzahl von mit der Kathode (K) verbundenen, n⁺-dotierten n- Emittergebieten (4, 18); und
  • c) innerhalb der bipolaren Schichtstruktur eine schwach n-dotierte n-Basisschicht (7);
dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) auf der Anodenseite eine Mehrzahl von mit der Anode (A) verbundenen, p⁺-dotierten p-Emittergebieten (8) angeordnet sind, welche in die n-Basisschicht (7) hineinreichen und zur Unterstützung des Abschaltvor­ ganges mit MOS-gesteuerten Emitterkurzschlüssen ver­ sehen sind.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die bipolare Schichtstruktur die Struktur eines feldgesteuerten Thyristors FCTh ist; und
  • b) die ersten Gateelektroden (3) mit p-dotierten Gate­ bereichen (5) in Verbindung stehen, welche zwischen den n-Emittergebieten (4) in die n-Basisschicht (7) hineinreichen.
3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die Gate-Kathoden-Struktur stufenförmig ist und eine Mehrzahl von durch Gräben (16) getrennten Kathoden­ fingern (6) umfaßt, in welche Kathodenfinger (6) die n-Basisschicht (7) hineinreicht;
  • b) sich die Gatebereiche (5) über die Böden und Wände der Gräben (16) erstrecken und zusammen mit den dazwischenliegenden Bereichen der n-Basisschicht (7) feldgesteuerte Langkanäle bilden; und
  • c) die n-Emittergebiete (4) von der Oberseite der Ka­ thodenfinger (6) her in die n-Basisschicht (7) hin­ einreichen.
4. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die Gate-Kathoden-Struktur planar ist;
  • b) die n-Emittergebiete (4) von der Oberfläche her in die n-Basisschicht (7) hineinreichen; und
  • c) die Gatebereiche (5) ebenfalls von der Oberfläche her in die n-Basisschicht (7) hineinreichen und zu­ sammen mit den dazwischenliegenden Bereichen der n-Basis­ schicht (7) feldgesteuerte Kanäle bilden.
5. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die bipolare Schichtstruktur die Struktur eines über ein Gate abschaltbaren Thyristors GTO ist; und
  • b) das Halbleitersubstrat (1) auf der Kathodenseite eine p-dotierte p-Basisschicht (17) aufweist, in welche die n-Emittergebiete (18) von der Oberfläche her hineinreichen und welche zwischen den n-Emitter­ gebieten (18) mit den ersten Gateelektroden (3) kon­ taktiert ist.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der n-Basisschicht (7) und der anodenseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) eine im Vergleich zur n-Basisschicht (7) stärker n-do­ tierte n-Stoppschicht (14) vorgesehen ist.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in den MOS-gesteuerten Emitter­ kurzschlüssen vorgesehenen MOS-Strukturen vertikal in das Halbleitersubstrat (1) hineinreichen.
DE19904014207 1989-06-07 1990-05-03 Bipolares, ueber ein gate abschaltbares leistungshalbleiter-bauelement Withdrawn DE4014207A1 (de)

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