DE19823944A1 - Leistungsdioden-Struktur - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungsdioden-Struktur mit verbesserten dynamischen Eigenschaften, mit einem Halbleiterkörper (1) des einen Leitungstyps, in dessen eine Oberfläche eine Halbleiterzone (2) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp eingebettet ist, einer die Halbleiterzone (2) kontaktierenden Anode (4) und einer den Halbleiterkörper (1) kontaktierenden Kathode (5). Im Halbleiterkörper (1) ist mindestens ein floatendes Gebiet (6) des zweiten Leitungstyps vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsdioden- Struktur mit verbesserten dynamischen Eigenschaften, mit ei­ nem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps, in dessen eine Oberfläche eine Halbleiterzone des anderen, zum einen Lei­ tungstyp entgegengesetzten Leitungstyps eingebettet ist, ei­ ner die Halbleiterzone kontaktierenden ersten Elektrode und einer den Halbleiterkörper kontaktierenden zweiten Elektrode.

In A. Porst, F. Auerbach, H. Brunner, G. Deboy und F. Hille, "Improvement of the diode characteristics using emitter con­ trolled principles (Emcon-Diode)", Proc. ISPSD 1997, Seiten 213-216 (1997) ist eine Leistungsdiode beschrieben, bei der durch spezielle Einstellung der Ladungsträgerverteilung im Mittenbereich der Diode deren statisches und dynamisches Ver­ halten beeinflußt wird, indem die sog. Hall- und Kleinmann- Prinzipien kombiniert werden.

Weiterhin ist aus US 4 134 123 eine Hochspannungs-Schottky- Diode bekannt, bei der in einen n-leitenden Halbleiterkörper mit einem Schottky-Kontakt floatende p-leitende Gebiete ein­ gebettet sind, wodurch die Sperrcharakteristik der Diode we­ sentlich verbessert wird.

Schließlich ist aus EP 0 565 350 B1 eine Diode bekannt, bei der mit einem Anodenbereich eine Pufferschicht verbunden ist, in der sich Gebiete hoher und niedriger Leitfähigkeit abwech­ seln, wobei jedes Gebiet niedriger Leitfähigkeit im wesentli­ chen durch ein zwischen diesem und dem benachbarten Gebiet hoher Leitfähigkeit herrschendes Diffusionspotential verarmt ist. Dadurch soll eine hohe Injektionswirksamkeit von Löchern aus dem Anodenbereich bei niedrigem spezifischen Widerstand der Pufferschicht erzielt werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leistungsdi­ oden-Struktur zu schaffen, bei der die Speicherladung redu­ ziert ist, um die Gesamtverluste zu minimieren, bei der wei­ terhin das Fast-Recovery-Verhalten verbessert ist, so daß ei­ ne rasche Spannungsaufnahme erfolgt und damit eine geringe Rückstromspitze vorliegt, und bei der auch das Soft-Recovery- Verhalten verbessert ist, so daß kein Stromabriß bei der Kom­ mutierung eintritt und eine gute Bedämpfung von Überspan­ nungsspitzen vorliegt, und die sich durch gute Durchlaßeigen­ schaften bei einem möglichst geringen Temperaturgang von Vor­ wärtskennlinie und Speicherladung auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich eine Leistungsdioden- Struktur der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch aus, daß im Halbleiterkörper mindestens ein floatendes Gebiet des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Leistungsdioden-Struktur enthält im Ge­ gensatz zu den bestehenden Leistungsdioden nach dem Stand der Technik bei beispielsweise einem n-leitenden Halbleiterkörper im rückwärtigen Bereich der n^--leitenden Driftstrecke Gebiete des entgegengesetzten Leitungstyps, also p-leitende floatende Gebiete, die kugelförmig, säulenförmig oder sonst beliebig gestaltet sein können. Die Dotierung dieser floatenden Gebie­ te ist dabei so gewählt, daß in lateraler Richtung der Lei­ stungsdiode, also in der Richtung senkrecht zu der Verbin­ dungsrichtung zwischen erster Elektrode bzw. Anode und zwei­ ter Elektrode bzw. Kathode, weder in den p-leitenden floaten­ den Gebieten noch in den dazwischenliegenden Gebieten des n­ leitenden Halbleiterkörpers die materialspezifische Durch­ bruchsladung überschritten wird. Diese beträgt bei Silizium etwa 2 × 10¹² cm^-2. Besonders zweckmäßig ist dabei eine Dotie­ rung, die etwa in der Größenordnung der halben Durchbruchsla­ dung liegt, d. h. bei Silizium etwa 10¹² cm^-2 beträgt.

In vorteilhafter Weise kann der Halbleiterkörper außerhalb des Bereiches der floatenden Gebiete und somit der homogen dotierte Teil der Driftstrecke höher als bei bestehenden Lei­ stungsdioden dotiert werden. Als Beispiel sei hierfür für ei­ ne Leistungsdiode mit einer Nennspannung in der Größenordnung von 600 V eine Dotierungskonzentration der Driftstrecke von 8.10¹⁴ cm^-2 bei einer Schichtdicke von etwa 25 µm für Silizium genannt. Es hat sich gezeigt, daß bei einer derartigen Ausle­ gung der Rand der Raumladungszone den Bereich der floatenden Gebiete dann bei etwa 300 V erreicht. Aufgrund der höheren Dotierung in der Driftstrecke muß dann zur Aufnahme einer be­ stimmten Spannung von beispielsweise 200 V ein geringerer Be­ reich der Driftstrecke ausgeräumt werden, so daß bei gleicher Überschwemmung mit Ladungsträgern weniger Ladung bewegt wer­ den muß.

Eine derart aufgebaute Leistungsdioden-Struktur zeichnet sich durch eine im Vergleich zum Stand der Technik geringere Rück­ stromspitze bei einer schnelleren Spannungsaufnahme aus, so daß insgesamt ein verbessertes Fast-Recovery-Verhalten er­ reicht wird.

Die erfindungsgemäße Leistungsdioden-Struktur wird in vor­ teilhafter Weise so ausgelegt, daß die floatenden Gebiete bei Anlegen von etwa 80% der üblichen Betriebsspannung, also nicht der Maximalspannung der Leistungsdiode, was beispiels­ weise bei 600 V-Leistungsdioden etwa 300 bis 400 V sind, von der Raumladungszone erreicht werden. Die Raumladungszone dehnt sich dabei im Bereich der floatenden Gebiete zunächst relativ rasch aus, so daß einem weiteren Spannungsanstieg der Abfluß einer relativ großen Ladungsträgermenge entgegensteht. Damit wird in der Phase nach einem Überschreiten der Rück­ stromspitze eine gute Bedämpfung des Kommutierungsvorganges erreicht.

In zweckmäßiger Weise wird der Kompensationsgrad des Halblei­ terkörpers im Bereich der floatenden Gebiete so eingestellt, daß sich ein deutliches Übergewicht der Dotierung der floa­ tenden Gebiete ergibt. Das heißt, wenn für die floatenden Ge­ biete beispielsweise p-leitende säulenförmige Gebiete in ei­ nem n-leitenden Halbleiterkörper verwendet werden, so soll sich im Bereich der p-leitenden säulenartigen Gebiete eine deutlich p-lastige Nettodotierung einstellen. Auf diese Weise wird ein unproblematischer Wiederanstieg des elektrischen Feldes erreicht, so daß die zur Aufnahme der Nennspannung, beispielsweise 630 V, erforderliche Schichtdicke im Halblei­ terkörper relativ gering gehalten werden kann.

Zusammenfassend ist die Dotierung in den floatenden Gebieten und den sie umgebenden Gebieten des Halbleiterkörpers primär durch die Forderung nach Unterschreitung der Durchbruchsla­ dung begrenzt, wie dies oben erläutert wurde. Das heißt, bei Silizium sollte die Dotierung so gewählt werden, daß das la­ terale Ladungsintegral von 2.10¹² cm^-2 nicht überschritten wird. Bevorzugt wird die Dotierung so gewählt, daß das late­ rale Ladungsintegral im Bereich der halben Durchbruchsladung liegt.

Bei entsprechend feiner Strukturierung der floatenden Gebiete und der sie umgebenden Gebiete des Halbleiterkörpers sind Do­ tierungskonzentrationen im Bereich von 10¹⁵ cm^-3 und höher einstellbar. Insbesondere kann die Dotierungskonzentration in den floatenden Gebieten so hoch werden, daß diese nicht mehr von Ladungsträgern überschwemmt werden. Die Bedämpfung des Kommutierungsvorganges wird dann nur noch von den in den floatenden Gebieten gespeicherten Ladungsträgern, also im obigen Beispiel von Löchern, getragen, die dann als Minori­ tätsladungsträgerstrom durch die Raumladungszone fließen. Dieser Minoritätsladungsträgerstrom ist von der Überschwem­ mung der Diode bzw. vom Strom im Freilaufkreis unabhängig. Damit wird eine Verbesserung des Kommutierungsverhaltens der Leistungsdioden-Struktur bei niedrigen Stromdichten erreicht.

Werden die floatenden Gebiete ausreichend höher als die sie umgebenden Gebiete des Halbleiterkörpers dotiert, so daß im obigen Beispiel eine p-Lastigkeit der Dotierung vorliegt, so wird auch bei der Nennspannung ein Teil der floatenden Gebie­ te vor dem kathodenseitigen n-leitenden Emitter nicht ausge­ räumt. Dies ermöglicht es, die Kathode für die Löcherströme in der Form eines "transparenten Emitters" zu gestalten, so daß eine Rekombination der Löcher erst am rückwärtigen Me­ tallkontakt der Kathode und nicht in einem n⁺-leitenden Kon­ taktierungsgebiet vor der Kathode eintritt. In diesem Fall sollte aber im rückwärtigen Bereich des n-leitenden Halblei­ terkörpers zwischen den floatenden Gebieten in der Nähe der Kathode die Dotierungskonzentration entsprechend hoch gewählt werden, um einen Felddurchgriff zum Metallkontakt der Kathode zu verhindern.

Wird, wie oben erläutert wurde, die Dotierung in den floaten­ den Gebieten und den sie umgebenden Gebieten des Halbleiter­ körpers jeweils so hoch gewählt, daß dieser Bereich nicht mit Ladungsträgern überschwemmt wird, so teilen sich die Elektro­ nenströme und die Löcherströme in verschiedene Bahngebiete auf. Der Emitterwirkungsgrad an der Kathode wird dann in dem obigen Beispiel nur von der n-Ladung zwischen dem Ende der floatenden p-leitenden Gebiete und dem Metallkontakt der Ka­ thode bestimmt. Damit kann der hintere Aufhängepunkt der La­ dungsträgerverteilung im überschwemmten Zustand der Lei­ stungsdioden-Struktur relativ weit abgesenkt werden, was zu einer entsprechend geringen Speicherladung führt.

Das oben erläuterte Prinzip eines transparenten Emitters er­ laubt wie bei der eingangs erwähnten herkömmlichen Emcon- Diode eine relativ geringe Absenkung der Ladungsträgerlebens­ dauer in der Basis, wodurch niedrige Leckströme und insbeson­ dere eine geringe Temperaturabhängigkeit der Vorwärtskennli­ nie, gegebenenfalls sogar ein positiver Temperaturkoeffizient des Vorwärtsspannungsabfalles, zu erzielen sind. Dieser Vor­ teil tritt insbesondere bei Parallelschaltung mehrerer Lei­ stungsdioden-Strukturen auf. Ebenso wird die Speicherladung praktisch temperaturunabhängig.

Aufgrund des Majoritätsladungsträgertransports von Elektronen und Löchern im Halbleiterkörper im Gebiet um die floatenden Gebiete bzw. in den floatenden Gebieten selbst tragen die floatenden Gebiete nicht wesentlich zu den Durchlaßverlusten der Leistungsdioden-Struktur bei. Dies bedeutet, daß die Durchlaßeigenschaften der Leistungsdioden-Struktur durch die floatenden Gebiete wenigstens nicht verschlechtert werden.

Die floatenden Gebiete können, wie bereits oben erwähnt wur­ de, säulenförmig, kugelförmig, ellipsoidförmig usw. gestaltet sein. Sie können dabei Streifendesigns, Zellendesigns mit quadratischer oder hexagonaler Anordnung bilden oder auch gitterförmig vorgesehen werden.

Das oben erläuterte Prinzip der erfindungsgemäßen Leistungs­ dioden-Struktur ist ohne weiteres auch auf MOSFETs mit p-Kanal bzw. n-Kanal, JFETs, Bipolartransistoren und Thyristo­ ren anwendbar. Auch können andere Halbleitermaterialien als Silizium, wie beispielsweise GaAs oder SiC verwendet werden.

Die floatenden Gebiete selbst können beispielsweise durch Mehrfachepitaxie und/oder wiederholte und maskierte Ionenim­ plantationen oder auch durch Ätzen und Auffüllen von Gräben oder durch Hochenergie-Ionenimplantationen erzeugt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Leistungsdioden-Struktur,

Fig. 2 den Raumladungszonenverlauf bei der Leistungsdi­ oden-Struktur von Fig. 1, wenn eine Spannung von 300 V bzw. 600 V an der Leistungsdioden-Struktur anliegt,

Fig. 3 den Verlauf der elektrischen Feldstärke in der Lei­ stungsdioden-Struktur bei Sperrpolung,

Fig. 4 den Verlauf der Ladungsträgerkonzentration in der Leistungsdioden-Struktur bei Flußpolung,

Fig. 5 eine Detaildarstellung zur Erläuterung eines trans­ parenten Emitters,

Fig. 6 eine Anwendung der erfindungsgemäßen Leistungsdi­ oden-Struktur auf einen MOSFET und

Fig. 7 eine Anwendung der erfindungsgemäßen Leistungsdi­ oden-Struktur auf einen GTO-Thyristor.

Fig. 1 zeigt eine Leistungsdioden-Struktur mit einem n^--leitenden Halbleiterkörper 1, einer p-leitenden Halbleiterzo­ ne 2, einer n-leitenden Kontaktzone 3, einem Anodenkontakt 4 und einem Kathodenkontakt 5.

Erfindungsgemäß sind in den Halbleiterkörper 1 säulenförmige floatende p-leitende Gebiete 6 eingebettet. Diese Gebiete 6 können gegebenenfalls auch kugelförmig, ellipsoidförmig oder in sonstiger Weise gestaltet sein.

Von Bedeutung ist aber, daß die Dotierung dieser Gebiete 6 so gewählt wird, daß in lateraler Richtung, also senkrecht zur Verbindungsrichtung zwischen der Anode 4 und der Kathode 5 weder in den p-leitenden Gebieten 6 noch in den zwischen die­ sen liegenden Gebieten des Halbleiterkörpers 1 die spezifi­ sche Durchbruchsladung des Halbleitermaterials, für Silizium also etwa 2.10¹² cm^-2, nicht überschritten wird. Ein geeigne­ ter Wert ist beispielsweise für Silizium 1.10¹² cm^-2.

Der Bereich des Halbleiterkörpers 1 zwischen den Gebieten 6 und der Halbleiterzone 2, also der "obere" homogen dotierte Teil der Driftstrecke, kann im Vergleich zu bestehenden Lei­ stungsdioden-Strukturen höher dotiert werden und für bei­ spielsweise eine 600 V-Leistungsdiode im Bereich von 8.10¹⁴ cm^-3 bei einer Schichtdicke von etwa 25 µm liegen.

Bei einer derartigen Gestaltung reicht dann der Rand der Raumladungszone in den Bereich der p-leitenden Gebiete 6 bei etwa 300 V, wie dies durch eine Strichlinie 7 in Fig. 2 ver­ anschaulicht ist. Die Grenze der Raumladungszone in der Halb­ leiterzone 2 ist durch eine Strichlinie 8 angegeben, während der Verlauf der Raumladungszone im Halbleiterkörper 1 bei 600 V durch eine Punktlinie 9 gezeigt ist.

Bei der erfindungsgemäßen Leistungsdioden-Struktur muß so aufgrund der höheren Dotierung zur Aufnahme einer bestimmten Spannung ein geringerer Bereich der Driftstrecke von Ladungs­ trägern ausgeräumt werden, was, wie oben bereits erläutert wurde, zu einem verbesserten Fast-Recovery-Verhalten führt.

Fig. 3 zeigt in der rechten Hälfte den Verlauf der elektri­ schen Feldstärke E in kV/cm in Schnittflächen A-A' bzw. B-B' bei der Struktur von Fig. 2. Eine Kurve 10 gibt dabei die elektrische Feldstärke für 300 V zwischen Anode 4 und Kathode 5 an, während eine Kurve 11 die Feldstärke in der Schnittflä­ che A-A' bei einer anliegenden Spannung von 600 V und eine Kurve 12 die elektrische Feldstärke in der Schnittfläche B-B' ebenfalls bei einer anliegenden Spannung von 600 V zeigen.

Der Wiederanstieg der elektrischen Feldstärke (vgl. die Fig. 11 und 12 in Fig. 3) wird durch eine deutlich p-lastige Net­ todotierung im Bereich der p-leitenden floatenden Gebiete 6 und der sie umgebenden Gebiete des Halbleiterkörpers 1 er­ reicht. Damit kann die zur Aufnahme der Nennspannung erfor­ derliche Schichtdicke relativ gering gehalten werden.

Fig. 4 veranschaulicht den Verlauf der Ladungsträgerkonzen­ tration bei der Leistungsdioden-Struktur von Fig. 2 in Fluß­ polung, wenn eine Dotierung D (vgl. die rechte Hälfte von Fig. 4) von etwa 3.10¹⁶ cm^-3 vorliegt. Auf der Schnittfläche B-B' (vgl. die linke Hälfte von Fig. 4) ergibt sich so für die p-Dotierung ein durch eine Kurve 13 gezeigter Verlauf, während die n-Dotierung durch eine Kurve 14 veranschaulicht ist.

Wird der Bereich der p-leitenden Gebiete 6 hinreichend p-lastig ausgelegt, so wird auch bei Anlegung der Nennspannung ein Teil der Gebiete 6 vor dem rückseitigen n-Emitter nicht ausgeräumt, was es ermöglicht, die Kathode für die Löcher­ ströme in der Form eines transparenten Emitters zu gestalten. Mit anderen Worten, die Rekombination der Löcher erfolgt erst am Metallkontakt der Kathode 5, wie dies in Fig. 5 durch ei­ nen Pfeil 15 für den Löcherstrom veranschaulicht ist. Es liegt so ein "transparenter Emitter" 16 für den Löcherstrom (vgl. den Pfeil 15) vor.

Im kathodenseitigen Bereich des n-leitenden Halbleiterkörpers 1 zwischen den Gebieten 6 muß im obigen Fall die Dotierung in einem Gebiet 17 (n⁺) höher als in den umgebenden Bereichen gewählt werden, um einen Felddurchgriff zu dem Metallkontakt der Kathode 5 zu verhindern.

Bei der Anordnung von Fig. 5 teilen sich die Löcherströme (Pfeil 15) und die Elektronenströme (vgl. Pfeil 17) in ver­ schiedene Bahngebiete auf, so daß der Emitterwirkungsgrad nur von der n-leitenden Ladung zwischen dem Ende der p-leitenden Gebiete 6 und dem Metallkontakt der Kathode 5 bestimmt wird.

Fig. 6 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Leistungs­ dioden-Struktur auf einen MOSFET (n-Kanal) mit einer Draine­ lektrode 18, einer p-leitenden Wanne 19, einer n⁺-leitenden Sourcezone 20, einer Source-Metallisierung 21 aus Aluminium, einer Gate-Elektrode 22 und einer Isolierschicht 23.

Fig. 7 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Leistungs­ dioden-Struktur auf einen GTO-Thyristor mit einer Metallisie­ rung 24, n⁺-leitenden Bereichen 25, Metallkontakten 26 und Metallkontakten 27.

Claims (13)

1. Leistungsdioden-Struktur mit verbesserten dynamischen Ei­ genschaften, mit einem Halbleiterkörper (1) des einen Lei­ tungstyps, in dessen eine Oberfläche eine Halbleiterzone (2) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitung­ styps eingebettet ist, einer die Halbleiterzone (2) kontak­ tierenden ersten Elektrode (4) und einer den Halbleiterkörper (1) kontaktierenden zweiten Elektrode (5), dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper (1) mindestens ein floatendes Gebiet (6) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist.

2. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung in lateraler bzw. senkrechter Richtung be­ züglich der Verbindungsrichtung zwischen erster und zweiter Elektrode (4, 5) in den floatenden Gebieten (6) und den an sie angrenzenden Gebieten des Halbleiterkörpers (1) so ge­ wählt ist, daß in keinem dieser Gebiete die materialspezifi­ sche Durchbruchsladung überschritten wird.

3. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper (1) die Durchbruchsladung unter 2.10¹² cm^-2 liegt.

4. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung so gewählt wird, daß das laterale Ladungs­ integral im Bereich der halben Durchbruchsladung liegt.

5. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) außerhalb der floatenden Gebiete (6) höher dotiert ist als im Bereich der floatenden Gebiete (6).

6. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) außerhalb der floatenden Gebiete (6) mit einer Dotierungskonzentration von etwa 8.10¹⁴ cm^-3 bei einer Schichtdicke von etwa 25 µm versehen ist.

7. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die floatenden Gebiete (6) bei Anlegen einer Spannung von 80% der Betriebsspannung von der Raumladungszone erreicht sind.

8. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die floatenden Gebiete (6) höher dotiert sind als die an sie angrenzenden Gebiete des Halbleiterkörpers (1).

9. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die floatenden Gebiete (6) so hoch dotiert sind, daß die­ se bei Anlegen der Betriebsspannung wenigstens teilweise nicht von Ladungsträgern ausgeräumt sind, so daß die zweite Elektrode (5) für Ströme mit Ladungsträgern des zweiten Lei­ tungstyps als transparenter Emitter wirkt.

10. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) im Bereich zwischen den floa­ tenden Gebieten (6) in der Nähe der zweiten Elektrode (5) hö­ her dotiert ist als in den umgebenden Bereichen.

11. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die floatenden Gebiete säulenförmig, kugelförmig oder el­ lipsoidförmig in quadratischer oder hexagonaler Anordnung vorliegen.

12. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Si oder SiC oder GaAs besteht.

13. Verwendung der Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für MOSFETs, JFETs, Bipolartransistoren oder Thyristoren.