EP1142022A2 - Semiconductor switches with evenly distributed fine control structures - Google Patents

Semiconductor switches with evenly distributed fine control structures

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EP1142022A2
EP1142022A2 EP99900058A EP99900058A EP1142022A2 EP 1142022 A2 EP1142022 A2 EP 1142022A2 EP 99900058 A EP99900058 A EP 99900058A EP 99900058 A EP99900058 A EP 99900058A EP 1142022 A2 EP1142022 A2 EP 1142022A2
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EP
European Patent Office
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semiconductor switch
fine structures
semiconductor
region
semiconductor crystal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99900058A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Roland Sittig
Folco Heinke
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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    • H01L29/7397—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions and a gate structure lying on a slanted or vertical surface or formed in a groove, e.g. trench gate IGBT
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    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/868—PIN diodes

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor structure as a semiconductor switch, which can be used in various variants for switching currents (claim 1 and / or 2).
  • a semiconductor structure as a semiconductor switch, which can be used in various variants for switching currents (claim 1 and / or 2).
  • bidirectional switches i.e. of switches that can switch currents on and off in both directions if the polarity of the applied voltage is appropriate.
  • Such bidirectional switches are used for some circuits (I converters, matrix converters), mostly at voltage levels above those of gate circuits, up to several thousand volts of blocking or blocking voltage.
  • the object of the invention is to provide a monolithic switch which does not have to be constructed hybrid by several components, in particular the static transmission and blocking losses are to be reduced and possibilities are provided to reduce switching losses compared to known switches.
  • the proposed structure does not require a pn junction that absorbs the blocking or blocking voltage.
  • it is characterized in that areas are created whose potential and thus their charge carrier concentrations can be set by control surfaces (gates).
  • gates One could speak symbolically of a "gate-controlled doping", which is set by means of the gate voltage depending on the polarity of the voltage at the connection electrodes (of the main current path) and the desired operating state.
  • Claim 1 describes the maintenance of the switch-on state (s), which is achieved by controlling the concentration of the charge carriers in the active area in an increasing sense.
  • the controlled fine structures are influenced by fields of MOS structures in such a way that the concentration in the active region can be increased over a large area if a first polarity of the control voltage is selected for the MOS structure.
  • Claim 2 describes the switch-off process or the switched-off state, in which the control of the concentration results in the reduction of this charge carrier concentration in the active region.
  • the fine structures are influenced here by the same MOS structure in such a way that the charge carriers are removed from the active region when the control voltage is reversed in polarity. Claim 1 and claim 2 can also be combined.
  • the fine structures of the invention can be raised in relation to the surface of the semiconductor crystal (claim 4), they can be lowered into the active region of the semiconductor crystal (claim 6), whereby they can be oriented vertically as well as horizontally () Claim 8). Regardless of how they are located, the fine structures remain on the surface or at least close to the surface with respect to the semiconductor crystal. They are distributed substantially uniformly on this surface and are formed substantially uniformly (claim 17).
  • the invention can also be used in the context of a semiconductor component which has a pn junction providing charge carriers (claim 19), but which is not suitable for receiving the reverse voltage; Here, switching blocking (and switching on) is only possible in one direction.
  • the fine structures distributed over a large area in the active area can be controlled by the MOS structures, the length of which is a multiple of their width (claim 16), can be carried out on one or both sides (claim 10, claim 6).
  • the invention makes it possible to produce bidirectional switches with a greatly reduced thickness of the weakly doped zone.
  • bidirectionally blocking components such as thyristors
  • a first pn junction which blocks one polarity
  • a second one which can absorb the blocking voltage in the other polarity.
  • According to the same weakly doped zone can absorb both the blocking voltage and the blocking voltage. Due to the smaller thickness of the main crystal region, lower forward voltages can also be achieved according to the invention.
  • the level of the flooding concentration can be adjusted during operation.
  • the losses for the respective company can be minimized.
  • control surface GA to the opposite connection electrode KB or, on the other hand, the control surface GB to the opposite connection electrode KA can be kept relatively small in accordance with the ratio of structure width to the distance between two fine structures, so that the control effort remains low.
  • switch-off losses can be significantly reduced compared to those of switchable thyristors (e.g. a GTO).
  • the low demands on the manufacturing process are of particular importance.
  • the component consists almost entirely of unchanged semiconductor starting material. There are no pn junctions that can be blocked, no precise doping concentrations to be set and no recombination centers are required. Only contact areas from which electrons and holes (as first and complementary second charge carriers) can be injected or derived are provided. This can be done with each other via a connection surface short-circuited, highly doped, but short areas across the surface. Suitable Schottky contacts can also be used.
  • the by far predominant active area of the semiconductor crystal is coated with an insulating layer and shielded by conductive field plates which, in the blocking state, make the field uniform across the semiconductor crystal.
  • the reduced technological production outlay is particularly advantageous for semiconductor materials in which doping is extremely difficult to achieve, such as in silicon carbide.
  • FIG. 1 is a cross section through the active region 1 of an example of a bidirectional semiconductor switch with a semiconductor crystal, a first connection electrode KA on a first side "A" and a second connection electrode KB on an opposite, other side "B".
  • Figure 2 illustrates a web structure of Figure 1 in perspective
  • connection electrode KA is shown broken away in order to make the doping structure 3a, 4a clear below the electrode KA and at the upper end of the web 2.
  • FIG. 3 illustrates an edge termination to the active area according to FIG. 1, which has a continuously curved field plate 50 which is connected to the metallic layer FA or FB on the respective side of the semiconductor.
  • the webs or columns 10 are at the beginning of the rising
  • Field plate 50 is shown schematically.
  • the field plate 50 which rises more curved in the end region, lies on an insulating layer 51 with a correspondingly shaped surface, which can be formed from SiO 2 .
  • FIG. 4 illustrates a cross section through a structure with lowered or recessed webs 11 using a trench technology
  • FIG. 5 shows a further structural variant. This structure arises from the fact that the web of FIG. 2 is halved and "folded over" on the insulated field plate FA to form a "lying web" 12. For this structure it is particularly simple to use the " Web width "b to make it significantly smaller.
  • FIG. 6a illustrate a bidirectional switch constructed in the manner of a cascode.
  • the gates are not monolithically integrated here, but MOSFET switches SnA and SpA are provided, which carry the entire current of the bidirectional switch, but only need to absorb a low reverse voltage. A larger web width of the structure 13 is thus permitted.
  • the structure in FIG. 6 corresponds to the trench technology in FIG. 4.
  • FIG. 7 illustrates a section from the active region 1 of a thyristor that can be switched off and has a structure in trench technology, similar to that of FIG. 4.
  • FIG. 8, FIG. 8a illustrates a top view and a section II of a switching lateral component with fine control structures 14 only on one side of the Semiconductor crystal.
  • FIGS. 1 and 2 A section of the periodically constructed structure of a bidirectional semiconductor switch is schematically outlined in FIGS. 1 and 2.
  • the dimensions are of very different sizes and are therefore not shown to scale.
  • the component consists of, for example, a rectangular slice of a semiconductor crystal, typically made of silicon, in particular silicon carbide.
  • active area 1 which takes over the switching function
  • edge area 50, 51 according to FIG. 3.
  • Figure 1 shows only a section of the active area.
  • the structures on the top "A" and on the bottom “B” are periodically continued over the entire surface of the active area; they are identical on the top and bottom. They can, but do not need to be aligned with one another and are shown displaced relative to one another in FIG.
  • Each individual structure is very small compared to the thickness of the semiconductor wafer, which is itself made from intrinsic (ie undoped, usually referred to as “i") or from very weakly n-doped (usually referred to as “n”) or from very weakly p-doped (usually Semiconductor crystal referred to as "p" and should have the lowest possible concentration of recombination centers (longest possible charge carrier life).
  • the distributed fine structures can be formed both as columns (same extension perpendicular to the drawing plane as in the drawing plane) and as webs 10 (extension extending perpendicularly to the drawing plane over the entire active area), as well as embedded horizontal or vertical control structures according to FIG. 4 , 5 are possible.
  • the web-like structures 10 to explain all such structures will be dealt with further below. Only the outer ends of these webs are highly doped shorted together by connection electrodes KA and KB n + - or p + regions 3,4. For web-like structures, these heavily doped regions 3a, 4a can also be formed successively perpendicular to the plane of the drawing, as shown in FIG. 2.
  • the entire active area 1 is covered with an insulating layer 20, 21 on both sides.
  • an insulating layer 20, 21 on both sides.
  • silicon for example, with a high-quality silicon oxide layer, as is customary for gate oxides.
  • This oxide layer is covered on the actual pane surfaces with highly conductive (metal or highly doped polycrystalline silicon) field electrodes FA or FB, which are electrically connected to the respective connection electrodes on the side, FA with KA and FB with KB.
  • the oxide layer is covered with gate electrodes GA or GB, which for silicon typically consist of highly doped, highly conductive, polycrystalline silicon.
  • the component therefore has the two main connections KA (connected to FA) and KB (connected to FB) and the two control electrodes GA and GB.
  • FIG. 1 To describe the function, a detail from a web 10 of FIG. 1 is shown enlarged in FIG.
  • the regions 3a, 4a, 3a (etc.) which are alternately n + and p + doped in the longitudinal direction of the web are shown. Due to the symmetry of the arrangement, only one direction of voltage between the main connections KA, KB need be considered.
  • a positive gate voltage U GKA above the threshold voltage of the MOS structure (GA - oxide layer - bridge semiconductor) of approximately +10 V is applied to GA on one side "A" of the semiconductor crystal. A forms in the immediate vicinity of the web surface and the web attachment point opposite the GA
  • Electron enrichment layer 2a Electron enrichment layer 2a.
  • the positive potential of GA is largely shielded from the interior of the web 2, but if the web width b is chosen small enough, there is still a positive potential of approximately 0.3 V with respect to KA in the middle of the web. The result of this is that an electron concentration is also established there which is substantially greater than the hole concentration.
  • the web 10 with its interior 2 thus acts as if it were n-doped.
  • the voltage U AB is now directed so that practically no current flows in these charge carrier distributions caused by the gate voltages. Only the respective “minority charge carriers”, ie holes from the web attachments "z" on one side "A” or electrons from the web attachments on the other side “B", are sucked away by the electrical field, which extends over the entire intrinsic area 1 contribute to reverse current.
  • the ridges correspond to the transition areas z from the fine structures to the main crystal area.
  • the gate voltages can be varied as a function of time, depending on the discharge state of the semiconductor.
  • the slice thickness of the semiconductor material will be selected in accordance with the intended blocking capacity.
  • 10 V reverse voltage can be absorbed per 1 ⁇ m silicon thickness, for example from a 200 ⁇ m thick 2000V disc.
  • the web width b is chosen to be as small as possible. As a typical width one might imagine widths from 0.2 ⁇ m to 2.0 ⁇ m.
  • the web length I should be a multiple of the web width, approximately 3 to 10 times.
  • the depth can be freely configured depending on, for example, the load current to be carried.
  • the distance between two webs can be chosen to be about 10 to 20 times the web width, and the size of the n + and p + regions at the web contacts KA, KB should not be more than the web width. This information is exemplary and is only intended to give a more concrete idea.
  • the component is to be used for a bidirectional mode of operation, it is advisable not to reduce the electrical field strength in the edge region simply by means of asymmetrically doped regions, for example in the form of the usual systems of field rings or by varying the lateral doping curve.
  • field plates 50 offer themselves as an edge seal which continuously bends away from the semiconductor, as shown schematically in FIG. 3, as does WO 99/27582 (Fraunhofer).
  • the functional principle on which the component is based can be realized with various structures, which differ primarily in the effort for the manufacturing processes. For example, the thin columns or long bars shown in FIG. 1 and FIG. 2 may not appear to be sufficiently robust and the contacting with the connection electrodes KA.KB may be very difficult.
  • the entire web structure can also be “lowered” into the semiconductor crystal, as shown in FIG. 4, 7 or 8.
  • connection electrodes KA.KB is now particularly simple, because with the gate electrode GA also insulated at the top with an oxide layer 20, only the metallization for the field plates FA, FB and connection surfaces KA, KB has to be applied over the entire surface.
  • FIG. 5 A structural variant that takes this consideration into account is shown in FIG. 5. This structure arises from the fact that the web 2 of FIG. 2 is halved and "folded over" onto the insulated field electrode. For this horizontally oriented fine structure, it is particularly simple to make the "web width" b even smaller and that To increase the ratio l / b significantly without exceeding mechanical limit strengths.
  • the halved and horizontally placed structure variant from FIG. 2 is shown in a lowered state in FIG. 5.
  • the web 2 in FIG. 2 corresponds here to the narrow control region 2 *, which consists of undoped or weakly doped semiconductor crystal, like the active region 1 , into which the horizontal land area 2 * leads via the transition area z.
  • the area z corresponds to that foot area or web attachment area z of FIG. 2.
  • the field plate FA lowered into the semiconductor crystal 1 in the active area has an angular shape and connects to the field plate lying on the surface on the left in FIG. 5.
  • the long leg of the angular extension is in length I many times longer than the remaining thickness of the control area 2 * , which is denoted by b.
  • the lowered, angularly shaped field plate FA in its left edge area is insulated from the semiconductor crystal on both sides by a horizontally lying insulating layer 20b.
  • a MOS structure is formed, consisting of the gate connection GA, the horizontal insulating layer 20 on the surface of the crystal 1 and the controlling land area 2 * .
  • the MOS arrangement controls the flooding and removal of charge carriers in the transition region z, depending on the control voltage with respect to the connection electrode KA.
  • the control of the charge carriers is in accordance with the aforementioned exemplary embodiments and is not to be explained separately here.
  • the highly doped zone 3a, 4a is provided in the angular region, close to the connection surface KA, and extends only slightly in the longitudinal direction I of the fine structure 12.
  • the external switches can be low-blocking MOSFE s, which, however, must be able to carry the entire current of the bidirectional switch.
  • the switches SpA and SnB In through-flow mode, the switches SpA and SnB must be closed accordingly and the switches SnA and SpB must be opened. Partial discharging can be achieved by simultaneously closing all switches.
  • the concept of locking in a controlled manner without a pn junction can also be used advantageously for other components. If, for example, a component is to be controlled only in one direction, it is sufficient to attach the structure according to the invention to only one side and to provide the other side with the corresponding doping - which provides charge carriers for the forward operation.
  • the structure of such an IGBT-like component is shown in FIG.
  • the component is MOS-controllable and has a particularly favorable, safe working area because current filamentation is avoided.
  • the structure according to FIG. 4 is shown, however, any other embodiment of the fine structure could also be used.
  • FIGS. 8 and 8a show a top view of an embodiment in which bidirectional switches with the fine structures 14 are designed as a lateral component.
  • a section along the plane I-1 is shown in Figure 8a, both figures are to be described simultaneously.
  • Lateral means that all connections are on the same side.
  • the two surfaces of the crystal region described so far as opposite sides A and B lie side by side here and are cut in the middle in both figures, so that only the left and right regions can be seen.
  • the manufacturing effort is facilitated by such a lateral structure, photolithography is only required on one surface, and on the other hand, a dielectric 70 serves to isolate the undoped or only weakly doped semiconductor crystal i, the active area 1 of which covers the entire area above the insulating layer 70 is.
  • Such a structure is called SOI - Silicon on Insulator.
  • this structure can assume a dimension of approximately 100 ⁇ m from the A side to the B side, depending on the reverse voltage or blocking voltage to be recorded.
  • connection areas KA and KB are shown partially broken away in order to show the doping regions 3a, 4a, which have already been explained in FIGS. 1 and 2.
  • the trench structures GA, 20a have also already been explained with reference to FIG. 4.
  • the shape of the MOS structures designed in a trench structure is different from FIG. 4; long oval structures have been chosen which, lined up with their long sides facing each other, form a row, each of which forms webs 2 'between each other, in which weakly doped or undoped semiconductor crystal is present, at which locations the web structures are formed, which are based on the previous ones Figures have been designated with the reference number 2.
  • MOS structures are provided on both sides, each with a trench gate GA with a layer 20a insulating it from the surrounding area.
  • the control via the MOS structures is carried out analogously to the previous figures.
  • the highly doped regions 3a, 4a make it possible, controlled by the lowered web structures that run between the trench gates, to either clear the crystal from charge carriers or to inject charge carriers into the crystal, depending on the operating state of the lateral switch desired by the control.
  • the conductive connection (not shown in FIG. 8) is present between the individual trench gates GA or on the other lateral side GB with a functional switch. They have been omitted here for the sake of clarity, as has the contact metallization, shown partially broken away, above the alternating n + and p + regions on the outside of the respective row of trench gates. On the inside of the respective row of trench gates is the undoped or weakly doped semiconductor crystal for receiving the reverse voltage or blocking voltage.

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Abstract

The invention relates to semiconductors switches that can be used in various forms to switch currents. Such switches are used for certain circuits (I converters, matrix converters), e.g. voltage levels of up to several thousand volts of reverse voltages or blocking voltages. The objective of the invention is to create a monolithic switch that does not need to be constructed in a hybrid manner using several components and to reduce forward and reverse power losses. According to the invention, the semiconductor switch is made of a non-doped or only slightly doped semiconductor crystal with an active area (1) and an edge area (50, 51). At least one and especially both opposite-lying surfaces of the active area (1) of the semiconductor switch is/are provided with fine structures (10, 11, 12, 13, 14) that are distributed over a wide area an that are configured in very much the same manner, whereby each of them has a conductive connecting surface (KA, KB) through which charge carriers can be controlled and conducted into the active area (1) of the semiconductor crystal via said fine structures (GA, GB). The concentration of the charge carriers in the active area (1) and therefore the turn-on state of the semiconductor switch is controlled in such a manner.

Description

Halbleiterschalter mit gleichmäßig verteilten feinen Steuerstrukturen Semiconductor switch with evenly distributed fine control structures
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur als Halbleiterschalter, die in verschiedenen Varianten zum Schalten von Strömen eingesetzt werden kann (Anspruch 1 und/oder 2). In ihrer ausgeprägtesten Form erlaubt sie die Realisierung von bidirektionalen Schaltern, d.h. von Schaltern, die bei entsprechender Polarität der anliegenden Spannung Ströme in beiden Richtungen ein- und auch abschalten können. Solche bidirektionalen Schalter werden für einige Schaltungen (I-Umrichter, Matrixumrichter) verwendet, zumeist bei Spannungspegeln, die oberhalb denjenigen von Gatterschaltungen liegen, bis hin zu mehreren Tausend Volt Sperr- oder Blockierspannung.The invention relates to a semiconductor structure as a semiconductor switch, which can be used in various variants for switching currents (claim 1 and / or 2). In its most pronounced form, it allows the realization of bidirectional switches, i.e. of switches that can switch currents on and off in both directions if the polarity of the applied voltage is appropriate. Such bidirectional switches are used for some circuits (I converters, matrix converters), mostly at voltage levels above those of gate circuits, up to several thousand volts of blocking or blocking voltage.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen monolithischen Schalter, der nicht durch mehrere Bauelemente hybrid aufgebaut werden muß, zu schaffen, insbesondere sollen die statischen Durchlass- und Sperrverluste reduziert werden und Möglichkeiten vorgesehen sein, Schaltverluste gegenüber bekannten Schaltern zu verringern.The object of the invention is to provide a monolithic switch which does not have to be constructed hybrid by several components, in particular the static transmission and blocking losses are to be reduced and possibilities are provided to reduce switching losses compared to known switches.
Die vorgeschlagene Struktur benötigt keinen die Blockier- oder Sperrspannung aufnehmenden (sperrenden) pn-Übergang. Sie zeichnet sich dagegen dadurch aus, daß Bereiche geschaffen werden, deren Potential und damit ihre Ladungsträger- Konzentrationen durch Steuerflächen (Gates) eingestellt werden können. Symbolisch könnte man von einer "gate-gesteuerten Dotierung" sprechen, die je nach Polarität der Spannung an den Anschlußelektroden (des Hauptstrompfades) und dem gewünschten Betriebszustand mittels der Gatespannung eingestellt wird.The proposed structure does not require a pn junction that absorbs the blocking or blocking voltage. On the other hand, it is characterized in that areas are created whose potential and thus their charge carrier concentrations can be set by control surfaces (gates). One could speak symbolically of a "gate-controlled doping", which is set by means of the gate voltage depending on the polarity of the voltage at the connection electrodes (of the main current path) and the desired operating state.
Anspruch 1 umschreibt den Erhalt des und den Einschaltzustand(s), der durch Steuerung der Konzentration der Ladungsträger im aktiven Bereich im erhöhenden Sinne erreicht wird. Die gesteuerten feinen Strukturen werden über Felder von MOS- Strukturen so beeinflußt, daß die Konzentration im aktiven Bereich großflächig erhöht werden kann, wenn eine erste Polarität der Steuerspannung für die MOS-Struktur gewählt ist. Anspruch 2 umschreibt den Abschaltvorgang oder den abgeschalteten Zustand, bei dem die Steuerung der Konzentration die Reduzierung dieser Ladungsträger-Konzentration im aktiven Bereich zur Folge hat. Die feinen Strukturen werden hier von derselben MOS-Struktur so beeinflußt, daß bei umgekehrter Polarität der Steuerspannung die Ladungsträger aus dem aktiven Bereich herausgenommen werden. Anspruch 1 und Anspruch 2 können auch kombiniert werden.Claim 1 describes the maintenance of the switch-on state (s), which is achieved by controlling the concentration of the charge carriers in the active area in an increasing sense. The controlled fine structures are influenced by fields of MOS structures in such a way that the concentration in the active region can be increased over a large area if a first polarity of the control voltage is selected for the MOS structure. Claim 2 describes the switch-off process or the switched-off state, in which the control of the concentration results in the reduction of this charge carrier concentration in the active region. The fine structures are influenced here by the same MOS structure in such a way that the charge carriers are removed from the active region when the control voltage is reversed in polarity. Claim 1 and claim 2 can also be combined.
Feldplatten im aktiven Bereich auf beiden Seiten vergleichmäßigen den Feldverlauf im abgeschalteten Zustand (Anspruch 3). Die beiden Seiten müssen nicht zwingend gegenüberliegend sein, auf der einen oder anderen Seite eines Kristalls, sie können auch als "beide Seiten" auf derselben Seite des schwach oder nicht dotierten Halbleiterkristalls angeordnet sein (Anspruch 15). Im letzteren Fall spricht man von einem lateralen Schaltelement, das nur eine einseitige Photolithographie in der Herstellung benötigt.Field plates in the active area on both sides even out the field profile when switched off (claim 3). The two sides do not necessarily have to be opposite, on one or the other side of a crystal, they can also be arranged as "both sides" on the same side of the weakly or undoped semiconductor crystal (claim 15). In the latter case, one speaks of a lateral switching element that only requires one-sided photolithography in the production.
Die feinen Strukturen der Erfindung können sowohl erhaben sein gegenüber der Oberfläche des Halbleiterkristalls (Anspruch 4), sie können in den aktiven Bereich des Halbleiterkristalls abgesenkt sein (Anspruch 6), wobei sie im Rahmen der Absenkung sowohl vertikal ausgerichtet sein können, wie auch horizontal (Anspruch 8). Die feinen Strukturen verbleiben unabhängig davon, wie sie konkret gelegen sind, an der Oberfläche oder zumindest oberflächennah bezüglich des Halbleiterkristalls (Anspruch 18). Auf dieser Oberfläche sind sie im wesentlichen gleichmäßig verteilt und im wesentlichen gleichmäßig ausgebildet (Anspruch 17).The fine structures of the invention can be raised in relation to the surface of the semiconductor crystal (claim 4), they can be lowered into the active region of the semiconductor crystal (claim 6), whereby they can be oriented vertically as well as horizontally () Claim 8). Regardless of how they are located, the fine structures remain on the surface or at least close to the surface with respect to the semiconductor crystal. They are distributed substantially uniformly on this surface and are formed substantially uniformly (claim 17).
Die Erfindung kann auch im Rahmen eines Halbleiterbauelementes eingesetzt werden, das einen Ladungsträger liefernden pn-Übergang besitzt (Anspruch 19), der aber nicht für die Aufnahme der Sperrspannung geeignet ist; hier ist das schaltende Sperren (und Einschalten) nur in einer Richtung möglich.The invention can also be used in the context of a semiconductor component which has a pn junction providing charge carriers (claim 19), but which is not suitable for receiving the reverse voltage; Here, switching blocking (and switching on) is only possible in one direction.
Die Steuerung der auf großer Fläche im aktiven Bereich verteilten feinen Strukturen durch die MOS-Strukturen, deren Länge ein Vielfaches ihrer Breite ist (Anspruch 16), kann einseitig oder beidseitig erfolgen (Anspruch 10, Anspruch 6). Je schmaler die feinen Strukturen sind, desto eher kann eine einseitige MOS-Struktur den Steuerbereich ebenso beeinflussen wie eine zweiseitige MOS-Struktur. Mit der Erfindung wird es möglich, bidirektionale Schalter mit stark reduzierter Dicke der schwach dotierten Zone herzustellen. Bei konventionellen, bidirektional sperrenden Bauelementen, wie etwa Thyristoren, muß ein erster pn-Übergang, der eine Polarität sperrt, ergänzt werden durch einen zweiten, der die Sperrspannung in der anderen Polarität aufnehmen kann. Damit ergeben sich pnp-Strukturen, die bei gleichem Sperrvermögen mindestens die doppelte Baulementdicke erfordern. Erfindungsgemäß kann dieselbe schwach dotierte Zone sowohl die Blockierspannung als auch die Sperrspannung aufnehmen. Aufgrund der geringeren Dicke des Hauptkristallbereichs können erfindungsgemäß auch niedrigere Durchlaßspannungen erreicht werden.The fine structures distributed over a large area in the active area can be controlled by the MOS structures, the length of which is a multiple of their width (claim 16), can be carried out on one or both sides (claim 10, claim 6). The narrower the fine structures, the more likely a one-sided MOS structure can influence the control area as well as a two-sided MOS structure. The invention makes it possible to produce bidirectional switches with a greatly reduced thickness of the weakly doped zone. In conventional, bidirectionally blocking components, such as thyristors, a first pn junction, which blocks one polarity, must be supplemented by a second one, which can absorb the blocking voltage in the other polarity. This results in pnp structures that require at least twice the component thickness for the same blocking capacity. According to the same weakly doped zone can absorb both the blocking voltage and the blocking voltage. Due to the smaller thickness of the main crystal region, lower forward voltages can also be achieved according to the invention.
Durch Steuerung der Gatespannungen der MOS-Strukturen an den "feinen Strukturen" gegenüber der jeweils benachbarten Anschlußfläche kann die Höhe der Überschwemmungs-Konzentration während des Betriebs eingestellt werden. Dadurch können die Verluste für den jeweiligen Betrieb minimiert werden.By controlling the gate voltages of the MOS structures on the "fine structures" opposite the respective adjacent pad, the level of the flooding concentration can be adjusted during operation. The losses for the respective company can be minimized.
Die zu den Steuerkapazitäten beitragenden Kapazitäten von Steuerfläche GA zur gegenüberliegenden Anschlußelektrode KB bzw. auf der anderen Seite die Steuerfläche GB zur gegenüberliegenden Anschlußelektrode KA können entsprechend dem Verhältnis von Strukturbreite zum Abstand zwischen zwei feinen Strukturen relativ klein gehalten werden, so daß der Ansteueraufwand gering bleibt.The capacities contributing to the control capacities from control surface GA to the opposite connection electrode KB or, on the other hand, the control surface GB to the opposite connection electrode KA can be kept relatively small in accordance with the ratio of structure width to the distance between two fine structures, so that the control effort remains low.
Durch eine vor dem Abschalten vorgenommene teilweise Entladung des Bauelementes können die Abschaltverluste im Vergleich zu denen von abschaltbaren Thyristoren (z.B. einen GTO) deutlich reduziert werden.By partially discharging the component before switching it off, the switch-off losses can be significantly reduced compared to those of switchable thyristors (e.g. a GTO).
Von besonderer Bedeutung sind die geringen Anforderungen an den Herstellprozeß. Das Bauelement besteht praktisch vollständig aus unverändertem Halbleiter- Ausgangsmaterial. Es sind keine sperrfähigen pn-Übergänge, keine genau einzustellenden Dotierungskonzentrationen und keine Rekombinationszentren notwendig. Allein Kontaktbereiche, von denen Elektronen und Löcher (als erste und komplementäre zweite Ladungsträger) injiziert bzw. abgeleitet werden können, sind vorgesehen. Das können jeweils miteinander über eine Anschlußfläche kurzgeschlossene, hochdotierte, aber in der Erstreckung quer zur Oberfläche kurze Bereiche sein. Es können aber auch geeignete Schottkykontakte sein.The low demands on the manufacturing process are of particular importance. The component consists almost entirely of unchanged semiconductor starting material. There are no pn junctions that can be blocked, no precise doping concentrations to be set and no recombination centers are required. Only contact areas from which electrons and holes (as first and complementary second charge carriers) can be injected or derived are provided. This can be done with each other via a connection surface short-circuited, highly doped, but short areas across the surface. Suitable Schottky contacts can also be used.
Der bei weitem überwiegende aktive Bereich des Halbleiterkristalls ist mit einer isolierenden Schicht überzogen und durch leitende Feldplatten abgeschirmt, die im sperrenden Zustand das Feld über den Halbleiterkristall vergleichmäßigen. Der reduzierte technologische Herstellungsaufwand ist insbesondere für Halbleitermaterialien, in denen Dotierungen nur äußerst schwierig zu erreichen sind, wie etwa in Siliziumkarbid, von großem Vorteil. The by far predominant active area of the semiconductor crystal is coated with an insulating layer and shielded by conductive field plates which, in the blocking state, make the field uniform across the semiconductor crystal. The reduced technological production outlay is particularly advantageous for semiconductor materials in which doping is extremely difficult to achieve, such as in silicon carbide.
Ausführungsbeispiele ergänzen und erläutern die Erfindung.Exemplary embodiments supplement and explain the invention.
Figur 1 ist ein Querschnitt durch den aktiven Bereich 1 eines Beispiels eines bidirektionalen Halbleiterschalters mit einem Halbleiterkristall, einer ersten Anschlußelektrode KA auf einer ersten Seite "A" und einer zweiten Anschlußelektrode KB auf einer gegenüberliegenden, anderen Seite "B". DieFIG. 1 is a cross section through the active region 1 of an example of a bidirectional semiconductor switch with a semiconductor crystal, a first connection electrode KA on a first side "A" and a second connection electrode KB on an opposite, other side "B". The
Legende zeigt die Ausgestaltung der einzelnen Schichten, die Dotierung des Halbleiters, die Isolierschichten, die Gateelektrode und die Metallelektroden.Legend shows the configuration of the individual layers, the doping of the semiconductor, the insulating layers, the gate electrode and the metal electrodes.
Figur 2 veranschaulicht eine Stegstruktur von Figur 1 in perspektivischerFigure 2 illustrates a web structure of Figure 1 in perspective
Darstellung. Die Anschlußelektrode KA ist weggebrochen dargestellt, um die Dotierungsstruktur 3a,4a unterhalb der Elektrode KA und am oberen Ende des Steges 2 deutlich werden zu lassen.Presentation. The connection electrode KA is shown broken away in order to make the doping structure 3a, 4a clear below the electrode KA and at the upper end of the web 2.
Figur 3 veranschaulicht einen Randabschluß zum aktiven Bereich gemäß Figur 1 , der eine kontinuierlich gekrümmte Feldplatte 50 aufweist, die mit der metallischen Schicht FA bzw. FB auf der jeweiligen Seite des Halbleiters verbunden ist. Die Stege oder Säulen 10 sind am Beginn der ansteigendenFIG. 3 illustrates an edge termination to the active area according to FIG. 1, which has a continuously curved field plate 50 which is connected to the metallic layer FA or FB on the respective side of the semiconductor. The webs or columns 10 are at the beginning of the rising
Feldplatte 50 schematisch dargestellt. Die im Endbereich stärker gekrümmt ansteigende Feldplatte 50 liegt auf einer Isolierschicht 51 mit einer entsprechend geformten Oberfläche, die aus SiO2 gebildet sein kann.Field plate 50 is shown schematically. The field plate 50, which rises more curved in the end region, lies on an insulating layer 51 with a correspondingly shaped surface, which can be formed from SiO 2 .
Figur 4 veranschaulicht einen Querschnitt durch eine Struktur mit abgesenkten oder eingelassenen Stegen 1 1 , mittels einer Trenchtechnologie, dieFIG. 4 illustrates a cross section through a structure with lowered or recessed webs 11 using a trench technology
Gateelektroden GA,GB in Gräben einläßt, die der Höhe der in Figur 1 dargestellten Stege entspricht.Gates gate electrodes GB, GB in trenches, which corresponds to the height of the webs shown in Figure 1.
Figur 5 stellt eine weitere Strukturvariante dar. Diese Struktur entsteht dadurch, daß der Steg von Figur 2 halbiert und auf die isolierte Feldplatte FA "umgelegt" wird, zur Bildung eines "liegenden Steges" 12. Für diese Struktur ist es besonders einfach, die "Stegbreite" b noch wesentlich geringer zu gestalten.FIG. 5 shows a further structural variant. This structure arises from the fact that the web of FIG. 2 is halved and "folded over" on the insulated field plate FA to form a "lying web" 12. For this structure it is particularly simple to use the " Web width "b to make it significantly smaller.
Figur 6,Figure 6,
Figur 6a veranschaulichen einen kaskodeartig aufgebauten bidirektionalen Schalter. Die Gates sind hier nicht monolithisch integriert, sondern es werden MOSFET Schalter SnA und SpA vorgesehen, die den gesamten Strom des bidirektionalen Schalters führen, aber nur eine niedrige Sperrspannung aufzunehmen brauchen. Damit wird eine größere Stegbreite der Struktur 13 zulässig. Der Aufbau in Figur 6 entspricht der Trenchtechnologie der Figur 4. Figur 7 veranschaulicht einen Ausschnitt aus dem aktiven Bereich 1 eines abschaltbaren Thyristors mit einer Struktur in Trenchtechnologie, ähnlich derjenigen von Figur 4. Figur 8, Figur 8a veranschaulichen eine Aufsicht und einen Schnitt l-l eines schaltenden lateralen Bauelementes mit feinen Steuerstrukturen 14 nur auf einer Seite des Halbleiterkristalls.FIG. 6a illustrate a bidirectional switch constructed in the manner of a cascode. The gates are not monolithically integrated here, but MOSFET switches SnA and SpA are provided, which carry the entire current of the bidirectional switch, but only need to absorb a low reverse voltage. A larger web width of the structure 13 is thus permitted. The structure in FIG. 6 corresponds to the trench technology in FIG. 4. FIG. 7 illustrates a section from the active region 1 of a thyristor that can be switched off and has a structure in trench technology, similar to that of FIG. 4. FIG. 8, FIG. 8a illustrates a top view and a section II of a switching lateral component with fine control structures 14 only on one side of the Semiconductor crystal.
Ein Ausschnitt aus der periodisch aufgebauten Struktur eines bidirektionalen Halbleiterschalters ist in Figur 1 und 2 schematisch skizziert. Die Abmessungen sind von sehr unterschiedlicher Größe und daher nicht maßstabsgerecht dargestellt. Das Bauelement besteht aus einer beispielsweise rechteckigen Scheibe eines Halbleiterkristalls, typischerweise aus Silizium, insbesondere aus Siliziumkarbid. Es wird der aktive Bereich 1 , der die Schaltfunktion übernimmt, vom Randbereich 50,51 gemäß Figur 3 unterschieden. Figur 1 stellt nur einen Ausschnitt aus dem aktiven Bereich dar. Die Strukturen auf der Oberseite "A" und auf der Unterseite "B" sind periodisch über die ganze Oberfläche des aktiven Bereichs fortgesetzt; sie sind auf Oberseite und Unterseite identisch. Sie können, brauchen aber nicht, zueinander ausgerichtet sein und sind in Figur 1 gegeneinander verschoben dargestellt. Jede einzelne Struktur ist sehr klein gegenüber der Dicke der Halbleiterscheibe, die selbst aus intrinsischem (d.h. undotiertem gewöhnlich als "i" bezeichnetem) oder aus sehr schwach n-dotiertem (gewöhnlich als "n" bezeichnetem) oder aus sehr schwach p-dotiertem (gewöhnlich als "p" bezeichnetem) Halbleiterkristall besteht und eine möglichst geringe Konzentration von Rekombinationszentren aufweisen soll (möglichst hohe Ladungsträgerlebensdauer).A section of the periodically constructed structure of a bidirectional semiconductor switch is schematically outlined in FIGS. 1 and 2. The dimensions are of very different sizes and are therefore not shown to scale. The component consists of, for example, a rectangular slice of a semiconductor crystal, typically made of silicon, in particular silicon carbide. A distinction is made between active area 1, which takes over the switching function, and edge area 50, 51 according to FIG. 3. Figure 1 shows only a section of the active area. The structures on the top "A" and on the bottom "B" are periodically continued over the entire surface of the active area; they are identical on the top and bottom. They can, but do not need to be aligned with one another and are shown displaced relative to one another in FIG. Each individual structure is very small compared to the thickness of the semiconductor wafer, which is itself made from intrinsic (ie undoped, usually referred to as "i") or from very weakly n-doped (usually referred to as "n") or from very weakly p-doped (usually Semiconductor crystal referred to as "p" and should have the lowest possible concentration of recombination centers (longest possible charge carrier life).
Die verteilten feinen Strukturen können sowohl als Säulen (gleiche Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene wie in der Zeichenebene) als auch als Stege 10 (senkrecht zur Zeichenebene sich über den ganzen aktiven Bereich erstreckende Ausdehnung) gebildet werden, ebenso wie eingebettete horizontale oder vertikale Steuerstrukturen gemäß Figuren 4, 5 möglich sind. Hier sollen im folgenden die stegartigen Strukturen 10 zur Erläuterung aller solcher Strukturen weiter behandelt werden. Nur die äußeren Enden dieser Stege weisen eine hohe Dotierung auf und zwar miteinander durch Anschlußelektroden KA bzw. KB kurzgeschlossene n+- bzw. p+-Gebiete 3,4. Für stegartige Strukturen können diese stark dotierten Gebiete 3a,4a auch senkrecht zur Zeichenebene aufeinanderfolgend ausgebildet sein, wie Figur 2 zeigt.The distributed fine structures can be formed both as columns (same extension perpendicular to the drawing plane as in the drawing plane) and as webs 10 (extension extending perpendicularly to the drawing plane over the entire active area), as well as embedded horizontal or vertical control structures according to FIG. 4 , 5 are possible. Here, the web-like structures 10 to explain all such structures will be dealt with further below. Only the outer ends of these webs are highly doped shorted together by connection electrodes KA and KB n + - or p + regions 3,4. For web-like structures, these heavily doped regions 3a, 4a can also be formed successively perpendicular to the plane of the drawing, as shown in FIG. 2.
Bis auf die mit KA und KB kontaktierten Bereiche ist der ganze aktive Bereich 1 mit einer beidseitigen Isolierschicht 20,21 überzogen. Für Silizium beispielsweise mit einer Siliziumoxidschicht hoher Qualität, wie sie für Gateoxide üblich ist. Diese Oxidschicht ist auf den eigentlichen Scheibenoberflächen mit gut leitenden (Metall oder hochdotiertes polykristallines Silizium) Feldelektroden FA bzw. FB bedeckt, die elektrisch mit den jeweiligen Anschlußelektroden der Seite, FA mit KA und FB mit KB verbunden werden.Except for the areas contacted with KA and KB, the entire active area 1 is covered with an insulating layer 20, 21 on both sides. For silicon, for example, with a high-quality silicon oxide layer, as is customary for gate oxides. This oxide layer is covered on the actual pane surfaces with highly conductive (metal or highly doped polycrystalline silicon) field electrodes FA or FB, which are electrically connected to the respective connection electrodes on the side, FA with KA and FB with KB.
Auf den senkrecht zur Scheibenoberfläche stehenden Stegwänden ist die Oxidschicht mit Gateelektroden GA bzw. GB bedeckt, die für Silizium typischerweise aus hochdotiertem, gut leitfähigem, polykristallinem Silizium bestehen. Das Bauelement verfügt also über die beiden Hauptanschlüsse KA (verbunden mit FA) und KB (verbunden mit FB) und über die zwei Steuerelektroden GA und GB.On the web walls perpendicular to the pane surface, the oxide layer is covered with gate electrodes GA or GB, which for silicon typically consist of highly doped, highly conductive, polycrystalline silicon. The component therefore has the two main connections KA (connected to FA) and KB (connected to FB) and the two control electrodes GA and GB.
Zur Beschreibung der Funktion ist in Figur 2 ein Ausschnitt aus einem Steg 10 der Figur 1 vergrößert dargestellt. Dabei sind die in Längsrichtung des Steges abwechselnd n+- und p+-dotierten Bereiche 3a,4a,3a (usw.) gezeigt. Aufgrund der Symmetrie der Anordnung braucht nur eine Spannungsrichtung zwischen den Hauptanschlüssen KA, KB betrachtet zu werden.To describe the function, a detail from a web 10 of FIG. 1 is shown enlarged in FIG. The regions 3a, 4a, 3a (etc.) which are alternately n + and p + doped in the longitudinal direction of the web are shown. Due to the symmetry of the arrangement, only one direction of voltage between the main connections KA, KB need be considered.
Zur Vereinfachung wird eine Spannungsquelle der Spannung UAB (z. B. UAB = 1000 V) betrachtet. KA ist verbunden mit dem positiven Pol, KB ist verbunden mit dem negativen Pol. Sperren:To simplify matters, consider a voltage source of voltage U AB (e.g. U AB = 1000 V). KA is connected to the positive pole, KB is connected to the negative pole. Lock:
An GA wird gegenüber KA auf der einen Seite "A" des Halbleiterkristalls eine positive Gatespannung UGKA oberhalb der Schwellspannung der MOS-Struktur (GA - Oxidschicht - Steghalbleiter) von etwa +10 V angelegt. In unmittelbarer Nähe der Stegoberfläche und der Stegansatzstelle gegenüber GA bildet sich eineA positive gate voltage U GKA above the threshold voltage of the MOS structure (GA - oxide layer - bridge semiconductor) of approximately +10 V is applied to GA on one side "A" of the semiconductor crystal. A forms in the immediate vicinity of the web surface and the web attachment point opposite the GA
Elektronenanreicherungsschicht 2a. Dadurch wird zwar das positive Potential von GA vom Steginneren 2 weitgehend abgeschirmt, wenn die Stegbreite b jedoch klein genug gewählt ist, liegt auch in der Mitte des Steges immer noch ein positives Potential von etwa 0,3 V gegenüber KA vor. Das hat zur Folge, daß sich auch dort eine Elektronenkonzentration einstellt, die wesentlich größer als die Löcherkonzentration ist. Der Steg 10 mit seinem Inneren 2 wirkt bei dieser Gatespannung also so, als sei er n- dotiert.Electron enrichment layer 2a. As a result, the positive potential of GA is largely shielded from the interior of the web 2, but if the web width b is chosen small enough, there is still a positive potential of approximately 0.3 V with respect to KA in the middle of the web. The result of this is that an electron concentration is also established there which is substantially greater than the hole concentration. At this gate voltage, the web 10 with its interior 2 thus acts as if it were n-doped.
Auf der anderen Seite "B" des Halbleiterkristalls wird zum Sperren der Spannung UAB in der vorgegebenen Polarität an GB eine gegenüber KB negative Gatespannung UGKB von etwa -10 V angelegt. Dann bildet sich dort an den dortigen Stegoberflächen eine Löcheranreicherungsschicht und die Stege wirken im Innern p-dotiert. Die Spannung UAB ist nun so gerichtet, daß bei diesen durch die Gatespannungen hervorgerufenen Ladungsträgerverteilungen praktisch kein Strom fließt. Nur die jeweiligen "Minoritätsladungsträger", d.h. Löcher aus den Stegansätzen "z" der einen Seite "A" bzw. Elektronen aus den Stegansätzen der anderen Seite "B" werden vom elektrischen Feld, das sich über den ganzen intrinsischen Bereich 1 erstreckt, abgesaugt und tragen zum Sperrstrom bei.On the other side "B" of the semiconductor crystal, a gate voltage U GKB of approximately -10 V, which is negative with respect to KB, is applied to GB to block the voltage U AB in the predetermined polarity. Then a hole enrichment layer forms there on the web surfaces there and the webs have a p-doped interior. The voltage U AB is now directed so that practically no current flows in these charge carrier distributions caused by the gate voltages. Only the respective "minority charge carriers", ie holes from the web attachments "z" on one side "A" or electrons from the web attachments on the other side "B", are sucked away by the electrical field, which extends over the entire intrinsic area 1 contribute to reverse current.
Die Stegansätze entsprechen den Übergangsbereichen z von den feinen Strukturen zu dem Hauptkristallbereich.The ridges correspond to the transition areas z from the fine structures to the main crystal area.
In einer Beispielsrechnung ergeben sich bei Stegbreiten von 0,3 μm und UGKA von 10V im Steginneren ein Potential von etwa +0,3 V und dementsprechend eine Elektronenkonzentration von einigen 10ϊ6cnτ3. Bei einer Temperatur von 400K, entsprechend der typischen höchstzulässigen Betriebstemperatur vergleichbarer Bauelemente, folgt daraus eine Löcherkonzentration von einigen 109 cm"3 und eine Sperrstromdichte von weniger als 1 mA cm 2. Im Sperrzustand kann man sich das Bauelement auch als Plattenkondensator mit den "Platten" FA und FB vorstellen. Beim Spannungsanstieg werden aus dem intrinsischen Bereich 1 die Elektronen über die als Stege ausgebildeten "feinen Strukturen" der einen Seite zum +Pol und die Löcher über die entsprechenden "feinen Strukturen" auf der anderen Seite zum -Pol abgeleitet. Durch Generation im entleerten, intrinsischen Bereich 1 neu gebildete Ladungsträger fließen ebenso ab und tragen damit auch zum Sperrstrom bei. Die elektrischen Feldlinien 40 verlaufen praktisch senkrecht durch die Halbleiterscheibe von FA nach FB . Im Bereich der Stegansätze z beginnen die Feldlinien allerdings auf den noch positiveren Gateelektroden GA und verlaufen von dort auf gekrümmter Bahn durch das Oxid und zur anderen Seite des Bauelementes, siehe Figur 2. Bei ausreichender Länge I des Steges 10 gibt es im Zentrum 2 des Steges keine vertikal verlaufenden Feldlinien 40.In an example calculation, with web widths of 0.3 μm and U GKA of 10V, a potential of approximately +0.3 V and accordingly an electron concentration of some 10 ϊ6 cnτ 3 result . At a temperature of 400K, corresponding to the typical maximum permissible operating temperature of comparable components, this results in a hole concentration of a few 10 9 cm "3 and a reverse current density of less than 1 mA cm 2 . In the blocking state, the component can also be imagined as a plate capacitor with the "plates" FA and FB. When the voltage rises, the electrons are derived from the intrinsic area 1 via the "fine structures" formed as webs on one side to the + pole and the holes via the corresponding "fine structures" on the other side to the - pole. Through generation in the emptied, intrinsic area 1, newly formed charge carriers also flow away and thus also contribute to the reverse current. The electric field lines 40 run practically perpendicular through the semiconductor wafer from FA to FB. In the area of the web approaches z, however, the field lines begin on the even more positive gate electrodes GA and run from there on a curved path through the oxide and to the other side of the component, see FIG. 2. With a sufficient length I of the web 10 there are 2 in the center of the web no vertical field lines 40.
Durchlaßzustand:Pass state:
Werden bei gleicher Polarität von UAB jetzt die Gatespannungen umgepolt, d.h. UGKA auf -10 V gegenüber KA und UGKB auf +10 V gegenüber KB, so bilden sich auf der ersten Seite "A" jetzt Löcheranreicherungsschichten 2a und auf der anderen Seite "B" analoge Elektronenanreicherungsschichten. Diese führen bei der Polarität von UAB aber sofort zu einem kräftigen Stromfluß und damit bei externer Last zu einem Zusammenbruch der Spannung über dem Bauelement. Die von Seite B auf Seite A driftenden Elektronen können nicht von den isolierten Elektroden FA abgeleitet werden, sondern müssen seitlich bis zu einem Steg diffundieren. Die Stegbereiche werden teilweise von Elektron-Loch Plasma überschwemmt. Die Elektronen werden über die n+-Gebiete zum Anschluß KA abgeleitet. Durch den Abstand zwischen zwei Stegen läßt sich die Höhe der möglichen Überschwemmungskonzentration und damit der Durchlaßspannungsabfall beeinflussen.If the polarity of U AB is reversed and the gate voltages are reversed, ie U GKA to -10 V compared to KA and U GKB to +10 V compared to KB, hole enrichment layers 2a are now formed on the first side "A" and on the other side " B "analog electron enrichment layers. With the polarity of U AB, however, this immediately leads to a strong current flow and thus to a breakdown of the voltage across the component under external load. The electrons drifting from side B to side A cannot be derived from the isolated electrodes FA, but have to diffuse laterally up to a web. The land areas are partially flooded with electron-hole plasma. The electrons are dissipated to the connection KA via the n + regions. The distance between two webs can influence the level of the possible flood concentration and thus the forward voltage drop.
Zum Abschalten kann das Bauelement zunächst teilweise entladen werden. Werden beispielsweise beide Gatespannungen auf UGKA= UGKB = 0 V gesetzt, so verschwinden die Anreicherungsschichten. Das bedeutet auf Seite A, die Löcheranreicherungsschicht existiert nicht mehr, so daß im Steg die Leitfähigkeit für die Löcher und damit der Löcherstrom deutlich reduziert wird. Im Steg werden sich die Konzentrationen von Elektronen und Löchern angleichen und damit der Elektronenstrom deutlich zunehmen. Da auf der Seite B gleichzeitig der Zustrom der Elektronen durch Abbau der Elektronenanreicherungsschichten verringert und der Abfluß von Löchern verstärkt wird, wird das Bauelement bei konstantem Strom entladen. Nach einer Entladephase können dann Gatespannungen entsprechend der Polung im Sperrzustand eingestellt werden, also UGKA=+10 V, UGKB=-10 V, und damit das Bauelement abgeschaltet werden. Es wird dann vollständig entladen und nimmt wieder Spannung auf.To switch off, the component can initially be partially discharged. If, for example, both gate voltages are set to U GKA = U GKB = 0 V, the enrichment layers disappear. On side A, this means that the hole enrichment layer no longer exists, so that the conductivity for the holes and thus the hole current is significantly reduced in the web. The concentrations of Align electrons and holes and thus significantly increase the electron current. Since the inflow of the electrons on the side B is simultaneously reduced by degradation of the electron enrichment layers and the outflow of holes is increased, the component is discharged at a constant current. After a discharge phase, gate voltages can then be set in accordance with the polarity in the blocking state, that is to say U GKA = + 10 V, U GKB = -10 V, and the component can thus be switched off. It is then fully discharged and takes on voltage again.
Um den Abschaltvorgang zu optimieren, können die Gatespannungen zeitabhängig variiert werden, abhängig von dem Entladezustand des Halbleiters.In order to optimize the switch-off process, the gate voltages can be varied as a function of time, depending on the discharge state of the semiconductor.
Für Silizium wird die Scheibendicke des Halbleitermaterials entsprechend dem vorgesehenen Sperrvermögen gewählt werden. Als Anhalt kann gelten, daß etwa pro 1 μm Siliziumdicke 10 V Sperrspannung aufgenommen werden können, also beispielsweise von einer 200 μm dicken Scheibe 2000V. Zur Abschirmung der vertikalen elektrischen Felder am Stegansatz z wird die Stegbreite b möglichst gering gewählt werden. Als typische Breite mag man sich etwa Breiten von 0,2 μm bis 2,0 μm vorstellen. Zur Vermeidung vertikaler Felder im Steg sollte die Steglänge I ein Vielfaches der Stegbreite betragen etwa das 3 bis 10fache. Die Tiefe kann frei gestaltet werden, abhängig von z.B. dem zu führenden Laststrom. Der Abstand zwischen zwei Stegen kann etwa zu dem 10 bis 20fachen der Stegbreite gewählt werden, und die Größe der n+- und p+-Bereiche an den Stegkontakten KA, KB sollte nicht mehr als die Stegbreite betragen. Diese Angaben sind beispielhaft und sollen nur eine konkretere Vorstellung vermitteln.For silicon, the slice thickness of the semiconductor material will be selected in accordance with the intended blocking capacity. As a guideline, 10 V reverse voltage can be absorbed per 1 μm silicon thickness, for example from a 200 μm thick 2000V disc. To shield the vertical electrical fields at the web extension z, the web width b is chosen to be as small as possible. As a typical width one might imagine widths from 0.2 μm to 2.0 μm. To avoid vertical fields in the web, the web length I should be a multiple of the web width, approximately 3 to 10 times. The depth can be freely configured depending on, for example, the load current to be carried. The distance between two webs can be chosen to be about 10 to 20 times the web width, and the size of the n + and p + regions at the web contacts KA, KB should not be more than the web width. This information is exemplary and is only intended to give a more concrete idea.
Wenn das Bauelement für eine bidirektionale Betriebsweise verwendet werden soll, empfiehlt es sich, im Randbereich die Reduktion der elektrischen Feldstärke nicht einfach durch unsymmetrisch dotierte Gebiete, zum Beispiel in Form der üblichen Systeme von Feldringen oder durch Variation des lateralen Dotierungsverlaufs, vorgenommen werden. Dagegen bieten sich Feldplatten 50 als Randabschluß an, die sich kontinuierlich vom Halbleiter wegkrümmen, wie schematisch in Figur 3 dargestellt, ebenso WO 99/27582 (Fraunhofer). Das dem Bauelement zugrunde liegende Funktionsprinzip läßt sich mit verschiedenen Strukturen realisieren, die sich vor allem durch den Aufwand für die Herstellprozesse unterscheiden. Beispielsweise mögen die in Figur 1 und Figur 2 dargestellten dünnen Säulen oder langen Stege als nicht ausreichend robust erscheinen und die Kontaktierung mit den Anschlußelektroden KA.KB als sehr schwierig. Die ganze Stegstruktur kann auch in das Halbleiterkristall "abgesenkt" werden, wie in Figur 4, 7 oder 8 dargestellt.If the component is to be used for a bidirectional mode of operation, it is advisable not to reduce the electrical field strength in the edge region simply by means of asymmetrically doped regions, for example in the form of the usual systems of field rings or by varying the lateral doping curve. On the other hand, field plates 50 offer themselves as an edge seal which continuously bends away from the semiconductor, as shown schematically in FIG. 3, as does WO 99/27582 (Fraunhofer). The functional principle on which the component is based can be realized with various structures, which differ primarily in the effort for the manufacturing processes. For example, the thin columns or long bars shown in FIG. 1 and FIG. 2 may not appear to be sufficiently robust and the contacting with the connection electrodes KA.KB may be very difficult. The entire web structure can also be “lowered” into the semiconductor crystal, as shown in FIG. 4, 7 or 8.
In den Halbleiterkörper werden dafür Gräben, im üblichen Englisch "trenchs", geätzt, so daß die gewünschten "Stege" 2',2" stehen bleiben. Die Wände der Gräben werden mit einer Oxidschicht 20a isoliert, und anschließend werden die Gräben mit den gut leitenden Gateelektroden GA aufgefüllt. Die Gateelektrode bildet so unterhalb der Oberfläche ein zusammenhängendes Gitter oder Netz, das an einer oder mehreren Stellen zur externen Kontaktierung mit Anschlußflächen versehen wird. Diese "Trenchtechnologie" wurde für die Herstellung von Datenspeichern entwickelt und ist Stand der Technik. Die Kontaktierung der Anschlußelektroden KA.KB wird jetzt besonders einfach, weil bei auch oben mit einer Oxidschicht 20 isolierter Gateelektrode GA lediglich die Metallisierung für die Feldplatten FA,FB und Anschlußflächen KA,KB ganzflächig aufgebracht werden muß.For this purpose, trenches, in the usual English "trenchs", are etched so that the desired "webs" 2 ', 2 remain. The walls of the trenches are insulated with an oxide layer 20a, and then the trenches with the good ones The gate electrode thus forms a coherent grid or network below the surface, which is provided with connection areas at one or more points for external contacting This "trench technology" was developed for the production of data memories and is state of the art Contacting the connection electrodes KA.KB is now particularly simple, because with the gate electrode GA also insulated at the top with an oxide layer 20, only the metallization for the field plates FA, FB and connection surfaces KA, KB has to be applied over the entire surface.
Auch zu dieser Struktur lassen sich weitere Modifikationen gestalten. Die Wirkung des Gates wird ja nur zum Steginnem 2,2',2" hin benötigt, während gegenüber dem Halbleitervolumen auf der anderen Seite oder der Unterseite nur unerwünschte Kapazität entsteht. Es könnte bei breiteren Trenchs also auf dieser von dem Steginnern abgewandten Seite die Isolierschicht wesentlich dicker ausgelegt werden. Bei noch breiteren Trenchs könnte schließlich auch die Feldplatte FA über die andere Wand bis auf den Trenchgrund geführt werden.Further modifications can also be made to this structure. The effect of the gate is only required towards the inside of the bridge 2.2 ', 2 ", whereas only undesired capacitance arises compared to the semiconductor volume on the other side or the underside. In the case of wider trenchs, the insulating layer could therefore be on this side facing away from the inside of the bridge In the case of even wider trenchs, the field plate FA could finally be led over the other wall to the trench base.
Eine diese Überlegung berücksichtigende Strukturvariante ist in Figur 5 dargestellt. Diese Struktur entsteht dadurch, daß der Steg 2 von Figur 2 halbiert und auf die isolierte Feldelektrode "umgelegt" wird. Für diese horizontal orientierte feine Struktur ist es besonders einfach, die "Stegbreite" b noch wesentlich geringer zu gestalten und das Verhältnis l/b auch ohne Überschreiten mechanischer Grenzfestigkeiten stark zu vergrößern.A structural variant that takes this consideration into account is shown in FIG. 5. This structure arises from the fact that the web 2 of FIG. 2 is halved and "folded over" onto the insulated field electrode. For this horizontally oriented fine structure, it is particularly simple to make the "web width" b even smaller and that To increase the ratio l / b significantly without exceeding mechanical limit strengths.
Die halbierte und horizontal gelegte Strukturvariante aus Figur 2 stellt sich in der Figur 5 in einem abgesenkten Zustand dar. Der Steg 2 der Figur 2 entspricht hier dem schmalen Steuerbereich 2*, der aus nicht dotiertem oder schwach dotiertem Halbleiterkristall besteht, wie der aktive Bereich 1 , in den der horizontal gelegte Stegbereich 2* über den Übergangsbereich z einleitet. Der Bereich z entspricht demjenigen Fußbereich oder Stegansatzbereich z der Figur 2. Die in das Halbleiterkristall 1 im aktiven Bereich abgesenkte Feldplatte FA hat eine winkelförmige Gestalt und schließt an die auf der Oberfläche liegende Feldplatte links in der Figur 5 leitend an. Der lange Schenkel der winkelförmigen Erstreckung ist in seiner Länge I um ein vielfaches länger, als die verbleibende Dicke des Steuerbereiche 2*, die mit b bezeichnet ist. Die abgesenkte, winkelförmig in ihrem linken Randbereich ausgebildete Feldplatte FA ist über eine horizontal liegende Isolierschicht 20b beidseitig gegenüber dem Halbleiterkristall isoliert. Auf der gegenüberliegenden Seite, also der Oberfläche der feinen Struktur 12, die in Figur 5 dargestellt ist, ist eine MOS-Struktur ausgebildet, bestehend aus dem Gateanschluß GA, der horizontalen Isolierschicht 20 auf der Oberfläche des Kristalls 1 und dem steuernden Stegbereich 2*. Mit der MOS- Anordnung wird das Fluten und Abziehen von Ladungsträgern im Übergangsbereich z, abhängig von der Steuerspannung gegenüber der Anschlußelektrode KA gesteuert. Die Steuerung der Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) ist entsprechend den vorgenannten Ausführungsbeispielen und soll hier nicht gesondert erläutert werden. In dem Winkelbereich, nahe der Anschlußfläche KA ist die hochdotierte Zone 3a,4a vorgesehen, die sich in Längsrichtung I der feinen Struktur 12 nur wenig erstreckt.The halved and horizontally placed structure variant from FIG. 2 is shown in a lowered state in FIG. 5. The web 2 in FIG. 2 corresponds here to the narrow control region 2 *, which consists of undoped or weakly doped semiconductor crystal, like the active region 1 , into which the horizontal land area 2 * leads via the transition area z. The area z corresponds to that foot area or web attachment area z of FIG. 2. The field plate FA lowered into the semiconductor crystal 1 in the active area has an angular shape and connects to the field plate lying on the surface on the left in FIG. 5. The long leg of the angular extension is in length I many times longer than the remaining thickness of the control area 2 * , which is denoted by b. The lowered, angularly shaped field plate FA in its left edge area is insulated from the semiconductor crystal on both sides by a horizontally lying insulating layer 20b. On the opposite side, that is to say the surface of the fine structure 12, which is shown in FIG. 5, a MOS structure is formed, consisting of the gate connection GA, the horizontal insulating layer 20 on the surface of the crystal 1 and the controlling land area 2 * . The MOS arrangement controls the flooding and removal of charge carriers in the transition region z, depending on the control voltage with respect to the connection electrode KA. The control of the charge carriers (electrons or holes) is in accordance with the aforementioned exemplary embodiments and is not to be explained separately here. The highly doped zone 3a, 4a is provided in the angular region, close to the connection surface KA, and extends only slightly in the longitudinal direction I of the fine structure 12.
Trotz wesentlich schmäler gestaltbarem Steuerbereich 2* ist die mechanische Festigkeit der nach Figur 5 aufgebauten feinen Struktur 12 erheblich.Despite the considerably narrower design of the control area 2 *, the mechanical strength of the fine structure 12 constructed according to FIG. 5 is considerable.
Das Konzept, ohne pn-Übergänge zu sperren, kann auch genutzt werden, um hochsperrende Schalter herzustellen, die über externe niedrigsperrende Schalter gesteuert werden, sogenannte "Kaskodenanordnungen". Das Schema einer solchen Struktur in Trenchtechnologie ist für die Seite "A" in Figur 6 dargestellt. Die Trenches sind mit einem Isolator 60, wie Glas, gefüllt. Die Struktur auf der anderen Seite "B" ist wieder symmetrisch zu denken. Es sind jetzt jeweils zwei Stege 2* dicht beieinander, von denen einer n+-dotiert und über eine Anschlußfläche KnA und einen externen Schalter SnA mit der Feldplatte FA verbunden ist und der zweite p+-dotiert und über eine Anschlußfläche KpA und einen zweiten externen Schalter SpA mit derThe concept without blocking pn junctions can also be used to produce high-blocking switches which are controlled by external low-blocking switches, so-called "cascode arrangements". The diagram of such a structure in trench technology is shown for the side "A" in FIG. 6. The trenches are filled with an insulator 60, such as glass. The structure on the other side "B" is again to be thought of symmetrically. There are now two webs 2 * close together, one of which is n + -doped and connected to the field plate FA via a connection area KnA and an external switch SnA and the second p + -doped and via a connection area KpA and a second external switch SpA with the
Feldplatte FA der Seite "A" verbunden ist. Liegt wieder an der Feldplatte FA gegenüber der anderen Seite "B" positives Potential an, so sind zum Sperren jetzt die gegenüberliegenden Schalter SnA und SpB zu schließen und die gegenüberliegenden Schalter SpA und SnB zu öffnen, wie in der Figur 6a gezeigt. Das Potential eines offenen Anschlusses (KpA und KnB) wird jetzt gegenüber der zugehörigen Feldplatte etwas in Richtung auf das der gegenüberliegenden Seite verschoben. Es kann nie in anderer Richtung verschoben werden wie bei den MOS-Gates. Daher sind hier zwei separate Anschlüsse für den n+- und den p+-Kontakt vorgeschlagen.Field plate FA of the side "A" is connected. If there is again positive potential on the field plate FA with respect to the other side “B”, the opposite switches SnA and SpB must now be closed and the opposite switches SpA and SnB opened, as shown in FIG. 6a. The potential of an open connection (KpA and KnB) is now shifted somewhat in relation to the associated field plate in the direction of that on the opposite side. It can never be moved in any other direction than with the MOS gates. Therefore two separate connections for the n + and the p + contact are proposed here.
Innerhalb des Hauptkristalls findet derselbe Ladungsträgertransport statt, wie gem. Figur 2. Die Veranlassung geschieht hier nicht durch integrierte M OS-Strukturen, sondern durch die externen MOS-Elemente. Sie bestimmen den Ladungsträger-Typ, der in dem jeweiligen Übergangsbereich z in seiner Konzentration gesteuert wird.The same charge carrier transport takes place within the main crystal as per Figure 2. The reason here is not through integrated M OS structures, but through the external MOS elements. They determine the type of charge carrier whose concentration is controlled in the respective transition region z.
Die externen Schalter können niedrigsperrende MOSFE s sein, die allerdings den gesamten Strom des bidirektionalen Schalters führen können müssen. Im Durchiaßbetrieb sind entsprechend die Schalter SpA und SnB zu schließen und die Schalter SnA und SpB zu öffnen. Durch gleichzeitiges Schließen aller Schalter kann ein teilweises Entladen erreicht werden.The external switches can be low-blocking MOSFE s, which, however, must be able to carry the entire current of the bidirectional switch. In through-flow mode, the switches SpA and SnB must be closed accordingly and the switches SnA and SpB must be opened. Partial discharging can be achieved by simultaneously closing all switches.
Das Konzept ohne pn-Übergang gesteuert zu sperren ist auch für andere Bauelemente vorteilhaft einsetzbar. Soll beispielsweise ein Bauelement nur in einer Richtung gesteuert schalten, so reicht es aus, die Struktur gemäß der Erfindung auch nur auf einer Seite anzubringen und die andere Seite mit der entsprechenden - für den Durchlaßbetrieb Ladungsträger liefernden - Dotierung zu versehen. Die Struktur eines derartigen IGBT-ähnlichen Bauelements ist in Figur 7 dargestellt. Das Bauelement ist MOS-steuerbar und weist einen besonders günstigen sicheren Arbeitsbereich auf, weil die Stromfilamentierung vermieden wird. Dargestellt ist die Struktur gemäß Figur 4, jede andere Ausführungsform der feinen Struktur könnte aber ebenso angewendet werden.The concept of locking in a controlled manner without a pn junction can also be used advantageously for other components. If, for example, a component is to be controlled only in one direction, it is sufficient to attach the structure according to the invention to only one side and to provide the other side with the corresponding doping - which provides charge carriers for the forward operation. The structure of such an IGBT-like component is shown in FIG. The component is MOS-controllable and has a particularly favorable, safe working area because current filamentation is avoided. The structure according to FIG. 4 is shown, however, any other embodiment of the fine structure could also be used.
Die Figuren 8 und 8a zeigen eine Aufsicht einer Ausführung, bei der bidirektionale Schalter mit den feinen Strukturen 14 als ein laterales Bauelement ausgebildet ist. Ein Schnitt entlang der Ebene l-l ist in Figur 8a dargestellt, beide Figuren sollen gleichzeitig beschrieben werden. Lateral bedeutet, daß alle Anschlüsse auf derselben Seite liegen. Die bislang als gegenüberliegende Seiten A und B beschriebenen beiden Oberflächen des Kristallbereiches liegen hier nebeneinander und sind in beiden Figuren mittig geschnitten, so daß nur der linke und der rechte Bereich erkennbar ist. Der Herstellaufwand erleichtert sich durch einen solchen lateralen Aufbau, die Photolithographie wird nur auf einer Oberfläche benötigt, und auf der anderen Seite dient ein Dielektrikum 70 zur Isolation des nicht oder nur schwach dotierten Halbleiterkristalls i, dessen aktiver Bereich 1 der gesamte Bereich oberhalb der Isolierschicht 70 ist. Eine solche Struktur wird SOI - Silicon on Insulator - genannt.FIGS. 8 and 8a show a top view of an embodiment in which bidirectional switches with the fine structures 14 are designed as a lateral component. A section along the plane I-1 is shown in Figure 8a, both figures are to be described simultaneously. Lateral means that all connections are on the same side. The two surfaces of the crystal region described so far as opposite sides A and B lie side by side here and are cut in the middle in both figures, so that only the left and right regions can be seen. The manufacturing effort is facilitated by such a lateral structure, photolithography is only required on one surface, and on the other hand, a dielectric 70 serves to isolate the undoped or only weakly doped semiconductor crystal i, the active area 1 of which covers the entire area above the insulating layer 70 is. Such a structure is called SOI - Silicon on Insulator.
In einer beispielhaften Ausführung kann diese Struktur von der A-Seite zur B-Seite ein Ausmaß von etwa 100μm annehmen, abhängig von der aufzunehmenden Sperrspannung oder Blockierspannung.In an exemplary embodiment, this structure can assume a dimension of approximately 100 μm from the A side to the B side, depending on the reverse voltage or blocking voltage to be recorded.
In der Figur 8 sind die Anschlußflächen KA und KB teilweise weggebrochen dargestellt, um die Dotierungsbereiche 3a,4a aufzuzeigen, die bereits in Figuren 1 und 2 erläutert wurden. Auch die Trenchstrukturen GA,20a sind bereits anhand der Figur 4 erläutert worden. Die Form der in Trenchstruktur gestalteten MOS-Strukturen ist gegenüber der Figur 4 anders; es sind hier langovale Strukturen gewählt worden, die aufgereiht mit ihren Längsseiten zueinander weisend eine Reihe bilden, die Stege 2' zwischen sich jeweils bilden, in denen schwach dotierter oder nicht dotierter Halbleiterkristall vorliegt, an welchen Stellen die Stegstrukturen ausgebildet sind, die anhand der vorigen Figuren jeweils mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet worden sind. An der jeweiligen streifenförmigen Ausbildung, die schmal gegenüber ihrer Höhe ist, wie die Figur 8 zeigt, sind beidseitig MOS-Strukturen vorgesehen, jeweils ein Trenchgate GA mit einer es gegenüber den Umgebungsbereich isolierenden Schicht 20a.8, the connection areas KA and KB are shown partially broken away in order to show the doping regions 3a, 4a, which have already been explained in FIGS. 1 and 2. The trench structures GA, 20a have also already been explained with reference to FIG. 4. The shape of the MOS structures designed in a trench structure is different from FIG. 4; long oval structures have been chosen which, lined up with their long sides facing each other, form a row, each of which forms webs 2 'between each other, in which weakly doped or undoped semiconductor crystal is present, at which locations the web structures are formed, which are based on the previous ones Figures have been designated with the reference number 2. 8, MOS structures are provided on both sides, each with a trench gate GA with a layer 20a insulating it from the surrounding area.
Die Steuerung über die MOS-Strukturen erfolgt analog den vorhergehenden Figuren. Die hochdotierten Bereiche 3a,4a erlauben es, gesteuert über die abgesenkten Stegstrukturen, die zwischen den aufgereihten Trenchgates hindurch verlaufen, den Kristall entweder von Ladungsträgern zu räumen, oder Ladungsträger in den Kristall zu injizieren, abhängig von dem per Steuerung gewünschten Betriebszustand des lateralen Schalters.The control via the MOS structures is carried out analogously to the previous figures. The highly doped regions 3a, 4a make it possible, controlled by the lowered web structures that run between the trench gates, to either clear the crystal from charge carriers or to inject charge carriers into the crystal, depending on the operating state of the lateral switch desired by the control.
Es versteht sich, daß die der Figur 8 nicht eingezeichnete leitfähige Verbindung zwischen den einzelnen Trenchgates GA bzw. auf der anderen Lateralseite GB bei einem funktionsfähigen Schalter vorhanden sind. Sie sind hier der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen, ebenso wie die teilweise weggebrochen dargestellte Kontaktmetallisierung oberhalb der sich abwechselnden n+- und p+-Gebiete auf der Außenseite der jeweiligen Reihe von Trenchgates. Auf der Innenseite der jeweiligen Reihe von Trenchgates liegt das nicht oder schwach dotierte Halbleiterkristall zur Aufnahme der Sperrspannung oder Blockierspannung. It goes without saying that the conductive connection (not shown in FIG. 8) is present between the individual trench gates GA or on the other lateral side GB with a functional switch. They have been omitted here for the sake of clarity, as has the contact metallization, shown partially broken away, above the alternating n + and p + regions on the outside of the respective row of trench gates. On the inside of the respective row of trench gates is the undoped or weakly doped semiconductor crystal for receiving the reverse voltage or blocking voltage.

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Halbleiterschalter aus einem undotierten oder nur sehr schwach dotierten Halbleiterkristall zum Schalten von Strömen in zumindest einer, bevorzugt in beiden Richtungen bei höheren bis hohen Spannungen deutlich oberhalb von Betriebsspannungen von Gatterschaltungen, mit einem aktiven Bereich (1) und einem Randbereich (50,51), wobei zumindest eine, insbesondere beide gegenüberliegenden Oberflächen des aktiven Bereichs (1) des Halbleiterschalters mit großflächig verteilten, feinen Strukturen (10,11 ,12,13,14) versehen sind, die im wesentlichen gleich ausgebildet sind, wobei sie jeweils eine leitfähige Anschlußfläche (KA,KB) aufweisen, durch die Ladungsträger über die großflächig verteilten feinen Strukturen gesteuert (GA.GB) in den aktiven Bereich (1 ) des Halbleiterkristalls hinein bewegbar sind, zur Steuerung einer Konzentration der Ladungsträger im aktiven Bereich (1) und damit des Einschaltzustandes des Halbleiterschalters.1.Semiconductor switch made from an undoped or only very weakly doped semiconductor crystal for switching currents in at least one, preferably in both directions at higher to high voltages, well above the operating voltages of gate circuits, with an active region (1) and an edge region (50, 51 ), at least one, in particular both opposite surfaces of the active region (1) of the semiconductor switch being provided with fine structures (10, 11, 12, 13, 14) which are distributed over a large area and are essentially of the same design, each being a conductive one Have connection surface (KA, KB) through which charge carriers can be moved into the active region (1) of the semiconductor crystal in a controlled manner via the large-area distributed fine structures (GA.GB), for controlling a concentration of the charge carriers in the active region (1) and thus the on state of the semiconductor switch.
2. Halbleiterschalter aus einem undotierten oder nur sehr schwach dotierten Halbleiterkristall zum Schalten von Strömen in zumindest einer, bevorzugt in beiden Richtungen bei höheren bis hohen Spannungen deutlich oberhalb von Betriebsspannungen von Gatterschaltungen, mit einem aktiven Bereich (1) und einem Randbereich (50,51 ), wobei zumindest eine, insbesondere beide gegenüberliegenden Oberflächen des aktiven Bereichs (1) mit großflächig verteilten, feinen Strukturen (10,11 ,12,13,14) versehen sind, die im wesentlichen gleich ausgebildet sind, wobei sie jeweils eine leitfähige Anschlußfläche (KA,KB) aufweisen, durch die Ladungsträger über die großflächig verteilten feinen Strukturen gesteuert (GA,GB) aus dem aktiven Bereich (1) des Halbleiterkristalls herausbewegbar sind, zur Steuerung einer2.Semiconductor switch made of an undoped or only very weakly doped semiconductor crystal for switching currents in at least one, preferably in both directions at higher to high voltages, well above the operating voltages of gate circuits, with an active region (1) and an edge region (50, 51 ), at least one, in particular both opposite surfaces of the active region (1) being provided with fine structures (10, 11, 12, 13, 14) which are distributed over a large area and are essentially of the same design, each having a conductive connection surface ( KA, KB), by means of which charge carriers can be moved out of the active region (1) of the semiconductor crystal in a controlled manner (GA, GB) via the fine structures distributed over a large area, for controlling a
Konzentration der Ladungsträger im aktiven Bereich (1) und damit des Abschaltzustandes des Halbleiterschalters. Concentration of the charge carriers in the active area (1) and thus the switch-off state of the semiconductor switch.
3. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die übrige Oberfläche des aktiven Bereichs (1), insbesondere innerhalb des nicht von den feinen Strukturen (10,11 ,12,13,14) eingenommenen Teilbereichs, isoliert (20,21) auf dem Halbleiterkristall aufgebrachte innere Feldplatten (FA; FB) trägt, die mit den Anschlußflächen (KA,KB) an den feinen Strukturen - insbesondere auf gegenüberliegenden Oberflächen des aktiven Bereichs gesondert - leitfähig verbunden sind, zur Ausbildung von zwei Hauptanschlußflächen für die zu sperrende Spannung oder den zu schaltenden Strom.3. The semiconductor switch as claimed in claim 1 or 2, in which the remaining surface of the active region (1), in particular within the partial region not occupied by the fine structures (10, 11, 12, 13, 14), is insulated (20, 21) the semiconductor crystal applied inner field plates (FA; FB) carries, which are conductively connected to the pads (KA, KB) on the fine structures - especially on opposite surfaces of the active area - to form two main pads for the voltage to be blocked or the current to be switched.
4. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen zum injizierenden oder extrahierenden Steuern der4. Semiconductor switch according to claim 1 or 2, characterized in that the fine structures for injecting or extracting control
Ladungsträger aus im wesentlichen im gleichmäßigem Abstand voneinander angebrachten erhabenen Säulen oder länglichen Stegen (10) bestehen und mit einer seitlich angebrachten MOS-Struktur (GA,20,2; GA,20,2*; GB,20,2) versehen sind, zur Steuerung der Ladungsträgerkonzentration im Übergangsbereich (z) von einer jeweiligen feinen Struktur zu dem undotierten oder nur schwach dotiertenLoad carriers consist of raised columns or elongate webs (10) which are arranged at a substantially uniform distance from one another and are provided with a laterally attached MOS structure (GA, 20.2; GA, 20.2 * ; GB, 20.2) for Control of the charge carrier concentration in the transition region (z) from a respective fine structure to the undoped or only weakly doped
Halbleiterkristall im aktiven Bereich (1) des Schalters.Semiconductor crystal in the active area (1) of the switch.
5. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 ,2 oder 4, bei dem die Steuerung der Ladungsträgerkonzentration im Übergangsbereich (z) von den feinen Strukturen zu dem übrigen aktiven Bereich veranlaßt ist (a) von einer Steuerung der Konzentration von ersten Ladungsträgern in den feinen Strukturen der einen Anschlußseite (A) und (b) von der gleichzeitigen Steuerung von komplementären zweiten5. A semiconductor switch according to claim 1, 2 or 4, wherein the control of the charge carrier concentration in the transition region (z) from the fine structures to the remaining active region is caused (a) by a control of the concentration of first charge carriers in the fine structures of one Connection side (A) and (b) from the simultaneous control of complementary second
Ladungsträgern in den feinen Strukturen der anderen Anschlußseite (B).Charge carriers in the fine structures of the other connection side (B).
6. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen aus länglichen Stegen oder Säulen (11 ) bestehen, die in den Halbleiterkristall abgesenkt Gateelektroden auf jeder ihrer Seiten aufweisen (GA,20a), zur Ausbildung einer abgesenkten MOS-Struktur.6. Semiconductor switch according to one of claims 1 or 2, characterized in that the fine structures consist of elongated webs or columns (11) which have gate electrodes lowered in the semiconductor crystal on each of their sides (GA, 20a), to form a lowered MOS -Structure.
7. Halbleiterschalter nach Anspruch 6, wobei innere Feldplatten (FA;FB) und die leitenden Anschlußflächen (KA; KB) eine im wesentlichen glatte Fläche bilden, oberhalb der abgesenkten MOS-Strukturen. 7. A semiconductor switch according to claim 6, wherein inner field plates (FA; FB) and the conductive connection surfaces (KA; KB) form a substantially smooth surface, above the lowered MOS structures.
8. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen (12) sich parallel zur Oberfläche des Halbleiterkristalls erstrecken, wobei eine beidseitig isolierte Feldplatte (20b, FA) von der Oberfläche ausgehend in den Halbleiterkristall abgesenkt ist.8. A semiconductor switch according to claim 1, characterized in that the fine structures (12) extend parallel to the surface of the semiconductor crystal, a field plate (20b, FA) insulated on both sides being lowered from the surface into the semiconductor crystal.
9. Halbleiterschalter nach Anspruch 7, bei dem zwischen der abgesenkten9. A semiconductor switch according to claim 7, wherein between the lowered
Feldplatte (FA) und der Oberfläche des Halbleiterkristalls ein schmaler (b) aber langer (I) Steuerbereich (2*) gebildet ist.Field plate (FA) and the surface of the semiconductor crystal a narrow (b) but long (I) control area (2 *) is formed.
10. Halbleiterschalter nach Anspruch 9 oder 8, der nur auf der nach außen weisenden Seite des schmalen Steuerbereichs (2*) eine MOS-Struktur aufweist (2*,20,GA).10. A semiconductor switch according to claim 9 or 8, which has a MOS structure (2 *, 20, GA) only on the outwardly facing side of the narrow control region (2 *).
1 1. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen (10) an ihren vom Übergangsbereich (z) zum Kristallbereich (1 ) entfernten Enden zur Kontaktierung insbesondere abwechselnd Bereiche mit n+- und p+-Dotierung aufweisen (3,4;3a,4a), die über die gemeinsame Anschlussfläche (KA; KB) miteinander leitfähig verbunden sind.1 1. Semiconductor switch according to one of claims 1 or 2, characterized in that the fine structures (10) at their ends from the transition region (z) to the crystal region (1) for contacting, in particular alternating regions with n + and p + doping have (3,4; 3a, 4a), which are conductively connected to one another via the common connection surface (KA; KB).
12. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen (13) keine MOS-Struktur aufweisen und jeweils ein Paar davon eng benachbart angeordnet ist, wobei das je eine Paar einen n+-Bereich mit einer ersten Elektrode (KnA) bzw. einen p+-Bereich mit einer zweiten Elektrode (KpA) besitzt, zur Leitung eines Elektronenstroms bzw. Löcherstroms, und dieses12. A semiconductor switch according to claim 1 or 2, characterized in that the fine structures (13) have no MOS structure and a pair thereof is arranged closely adjacent, the one pair each having an n + region with a first electrode (KnA ) or a p + region with a second electrode (KpA), for conducting an electron current or hole current, and this
Strukturenpaar über externe steuerbare Zusatzschalter (SnA;SpA) mit der Anschlußelektrode (FA) auf derselben Oberfläche verbunden ist (Fig. 6).Structural pair is connected via external controllable additional switches (SnA; SpA) to the connection electrode (FA) on the same surface (FIG. 6).
13. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Oberfläche außerhalb des aktiven Bereichs (1 ) isoliert (51 ) auf dem Halbleiterkristall aufgebrachte äußere Feldplatten (50) trägt, die mit den Anschlußflächen (KA.KB) der feinen Strukturen13. A semiconductor switch according to claim 1 or 2, wherein the surface outside the active region (1) insulates (51) on the semiconductor crystal applied outer field plates (50), which with the connection surfaces (KA.KB) of the fine structures
(10, 1 1 , 12, 13, 14) oder den inneren Feldplatten (FA;FB) leitfähig verbunden sind. (10, 1 1, 12, 13, 14) or the inner field plates (FA; FB) are conductively connected.
14. Halbleiterschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Randabschluß im Randbereich die inneren Feldplatten (FA,FB) auf einer zum Rand kontinuierlich dicker werdenden Isolatorschicht (51) fortgesetzt werden (50) und leitend mit einer Abschirmelektrode (52) verbunden sind, die über den Halbleiterkristall hinausragt und von ihm weg gekrümmt (konvex) verläuft (52a).14. Semiconductor switch according to one of the preceding claims, characterized in that the inner field plates (FA, FB) are continued (50) and conductively connected to a shielding electrode (52) at the edge region in the edge region of the inner field plates (FA, FB) projecting beyond the semiconductor crystal and curved (convex) away from it (52a).
15. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem beide Anschlußflächen (KA.KB) mit ihren feinen Strukturen (14) auf derselben Oberfläche des Halbleiterkristalls angebracht sind und die gegenüberliegende Oberfläche isoliert (70) ist.15. A semiconductor switch according to claim 1 or 2, wherein both connection surfaces (KA.KB) with their fine structures (14) are attached to the same surface of the semiconductor crystal and the opposite surface is insulated (70).
16. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 ,2 oder 18 bei dem die feinen16. A semiconductor switch according to claim 1, 2 or 18 in which the fine
Strukturen (10,11) aus schwach oder nicht dotiertem Halbleitermaterial bestehen, deren Länge ein Vielfaches ihrer Breite (b) ist.Structures (10, 11) consist of weakly or undoped semiconductor material, the length of which is a multiple of their width (b).
17. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 ,2 oder 18 bei dem die feinen Strukturen im wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind, insbesondere in einem17. A semiconductor switch according to claim 1, 2 or 18 in which the fine structures are arranged substantially uniformly distributed, in particular in one
Abstand, der in mindestens einer Richtung der Oberfläche ein Vielfaches ihrer Erstreckung in dieser Richtung ist.Distance that is a multiple of its extent in at least one direction of the surface in this direction.
18. Halbleiterschalter aus einem undotierten oder nur sehr schwach dotierten Halbleiterkristall zum Schalten von Strömen in zumindest einer, bevorzugt in beiden Richtungen bei höheren bis hohen Spannungen deutlich oberhalb von18. Semiconductor switch made of an undoped or only very weakly doped semiconductor crystal for switching currents in at least one, preferably in both directions at higher to high voltages, well above
Betriebsspannungen von Gatterschaltungen, mit einem aktiven Bereich (1) und einem Randbereich (50,51), wobei der Halbleiterschalter im aktiven Bereich (1) oberflächennah auf zumindest einer - insbesondere zwei gegenüberliegenden - Oberflächen des aktiven Bereichs (1 ) eine Vielzahl großflächig verteilte feine Strukturen (10,1 1 ,12,13,14) aufweist, die im wesentlichen gleich ausgebildet sind, wobei sie jeweils eine leitfähige Anschlußfläche (KA,KB) zur Aufnahme oder Abgabe von Ladungsträgern aufweisen, die über die großflächig verteilten feinen Strukturen über zugehörige leitende Steuerflächen (GA,GB) zum oder vom aktiven Bereich (1) des Halbleiterkristalls steuerbar sind. Operating voltages of gate circuits, with an active area (1) and an edge area (50, 51), the semiconductor switch in the active area (1) close to the surface on at least one - in particular two opposite - surfaces of the active area (1) having a large number of fine areas Structures (10, 1, 12, 13, 14) which are of essentially the same design, each having a conductive connection surface (KA, KB) for receiving or releasing charge carriers, which, via the large-area distributed fine structures, have associated structures conductive control surfaces (GA, GB) to or from the active region (1) of the semiconductor crystal can be controlled.
9. Halbleiterelement aus einem Halbleiterkristall zum Schalten von Strömen in zumindest einer Stromrichtung bei Spannungen größer 50V9. Semiconductor element made of a semiconductor crystal for switching currents in at least one current direction at voltages greater than 50V
(a) mit einem p+-Emitter (80) und einer daran angrenzenden n-Stopschicht (81) auf der Anodenseite (A), wobei er im übrigen Volumen zur Kathodenseite (B) undotiert oder nur sehr schwach dotiert ist; wobei(a) with a p + emitter (80) and an adjacent n-stop layer (81) on the anode side (A), the rest of the volume being undoped to the cathode side (B) or only very weakly doped; in which
(b) der Halbleiterkristall einen aktiven Bereich (1) aufweist, der auf der Kathodenseite (B) mit feinen, etwa gleichmäßig verteilten Strukturen (11) versehen ist, und in dem nicht von den feinen Strukturen eingenommenen Bereich mit einer isoliert aufgebrachten Feldplatte (FA) versehen ist, die leitend mit einer Anschlußelektrode (K) auf der Kathodenseite (B) verbunden ist;(b) the semiconductor crystal has an active region (1) which is provided on the cathode side (B) with fine, approximately uniformly distributed structures (11), and in the region not occupied by the fine structures with an insulated field plate (FA ) is provided, which is conductively connected to a connection electrode (K) on the cathode side (B);
(c) die feinen Strukturen leitende Steuerflächen (GA) aufweisen, über die sowohl Elektronen als auch Löcher in den aktiven Bereich (z,1) potentialgesteuert hineinbewegbar und herausbewegbar sind, zur Steuerung der Dotierung des undotierten oder nur schwach dotierten(c) the fine structures have conductive control surfaces (GA), via which both electrons and holes in the active region (z, 1) can be moved in and out in a potential-controlled manner, for controlling the doping of the undoped or only weakly doped
Volumens, insbesondere nahe der feinen Strukturen, abhängig von dem Potential an den Steuerflächen (GA) gegenüber der Anschlußfläche (K). Volume, especially near the fine structures, depending on the potential at the control surfaces (GA) opposite the connection surface (K).
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