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DE19948901A1 - Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement

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Abstract

Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - einen Halbleiterkörper (2) mit einer Leitungszone (4) eines ersten Leitungstyps, einer Anschlußzone (6) des ersten Leitungstyps, einer zwischen der Anschlußzone (6) und der Leitungszone (4) angeordneten Kanalzone (6) eines zweiten Leitungstyps und mit einer Vielzahl von beabstandet zueinander in der Leitungszone angeordneten Bereichen (10, 12) des zweiten Leitungstyps, DOLLAR A - eine isoliert gegenüber der Kanalzone (8) angeordnete Steuerelektrode (20), DOLLAR A - ein in dem Halbleiterkörper (2) angeordnetes Injektionsgebiet (16) des zweiten Leitungstyps, das an eine Ladungsquelle angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement das folgende Merkmale aufweist:
  • - einen Halbleiterkörper mit einer Leitungszone eines ersten Leitungstyps, einer Anschlußzone des ersten Leitungstyps, ei­ ner zwischen der Anschlußzone und der Leitungszone (4) ange­ ordneten Kanalzone eines zweiten Leitungstyps und mit einer Vielzahl von beabstandet zueinander in der Leitungszone ange­ ordneten Bereichen des zweiten Leitungstyps,
  • - eine isoliert gegenüber der Kanalzone angeordnete Steuere­ lektrode.
Derartige Halbleiterbauelemente sind aus der DE 198 15 907 C1 bekannt. Die darin beschriebenen nleitenden Vertikal-MOSFET und Lateral-MOSFET weisen einen Halbleiterkörper mit einer n- leitenden Leitungszone als Drain-Zone auf, in der eine Viel­ zahl p-leitender Gebiete angeordnet sind. In den Halbleiter­ körper sind weiterhin p-leitende Kanalzonen eingebracht, in denen n-leitende Anschlußzonen als Source-Zonen eingebracht sind. Zur Ansteuerung des MOSFET ist eine Steuerelektrode vorgesehen, die isoliert gegen die Kanalzone auf dem Halblei­ terkörper angebracht ist. Derartige Halbleiterbauelemente be­ sitzen in leitendem Zustand eine gute Leitfähigkeit, d. h. ei­ nen geringen Einschaltwiderstand Ron bedingt durch die n-lei­ tende Leitungszone. In gesperrtem Zustand besitzen sie eine hohe Spannungsfestigkeit, weil sich mit zunehmender Drain- Source-Spannung bzw. mit zunehmender sich in der Leitungszone ausbildender Raumladungszone die vorzugsweise hochdotierten p-leitenden Gebiete und die diese umgebenden n-dotierten Be­ reiche der Leitungszone sich gegenseitig ausräumen, wodurch eine Verarmung an Ladungsträgern in der Leitungszone statt­ findet.
Um zu verhindern, daß die ausgeräumten Zonen um die p-lei­ tenden Gebiete erhalten bleiben bzw. daß die p-leitenden Ge­ biete aufgeladen bleiben, wenn die Drain-Source-Spannung ab­ nimmt und der MOSFET wieder leiten soll, ist bei dem bekann­ ten Halbleiterbauelement ein "schwacher Injektor" vorgesehen, der beispielsweise als Schottky-Kontakt oder als p-leitende Schicht zwischen die Leitungsschicht und einen Drain-Anschluß des MOSFET oder als p-leitende Wanne(n) in dem/den Be­ reich(en) der Kontaktzone(n) ausgebildet ist. Durch den In­ jektor werden im leitenden Zustand des MOSFET Löcher oder p- Ladungsträger in die Leitungszone injiziert, die die p-lei­ tenden Gebiete entladen und so eine gute Leitfähigkeit der Leitungszone wiederherstellen.
Nachteilig wirkt sich dabei aus, daß insbesondere das Vorse­ hen des schwachen Injektors zwischen der Leitungszone und dem Drain-Anschluß einen zusätzlichen Widerstand bzw. einen zu­ sätzlichen Spannungsabfall hervorruft.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement zur Verfü­ gung zu stellen, das in gesperrtem Zustand eine hohe Span­ nungsfestigkeit und in leitendem Zustand eine gute Leitfähig­ keit aufweist und das insbesondere die oben genannten Nach­ teile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gelöst, das neben den eingangs genannten Merkmalen ein in den Halbleiter­ körper eingebrachtes Injektionsgebiet des zweiten Lei­ tungstyps aufweist, das an eine Ladungsquelle angeschlossen ist.
Wenn das Halbleiterbauelement leiten soll, liefert die La­ dungsquelle Ladungsträger des zweiten Leitungstyps in die Leitungszone, um die nach dem Sperren des Halbleiterbauele­ ments aufgeladenen Gebiete des zweiten Leitungstyps zu entla­ den und so eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten.
Das Injektionsgebiet des ersten zweiten Leitungstyps ist vor­ zugsweise hochdotiert und in ein hochdotiertes Gebiet des er­ sten Leitungstyps eingebettet. Das Injektionsgebiet des zwei­ ten Leitungstyps und das umgebende des ersten Leitungstyps Gebiet wirken als Injektor nach Art einer Zenerdiode.
Die Ladungsquelle ist vorzugsweise eine zwischen das Injekti­ onsgebiet und ein Bezugspotential geschaltete Kapazität. Die Kapazität wird bei sperrendem Halbleiterbauelement auf das Potential der an die Leitungszone angeschlossenen Klemme des Halbleiterbauelements abzüglich der Durchbruchspannung der Zenerdiode aufgeladen. Bei leitendem Halbleiterbauelement wird die in der Kapazität gespeicherte Ladung in die Lei­ tungszone injiziert, um die Gebiete des zweiten Leitungstyps zu entladen und eine gute Leitfähigkeit zu erreichen. Die vol­ le Leitfähigkeit wird bereits kurz nach Anlegen einer ent­ sprechenden Steuerspannung an die Steuerelektrode erreicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, das In­ jektionsgebiet, vorzugsweise über einen Widerstand und eine Diode an ein Hilfspotential anzulegen.
Das Halbleiterbauelement ist vorzugsweise als vertikaler MOSFET ausgebildet, wobei eine erste Anschlußklemme an einer Rückseite des Halbleiterkörpers an die Leitungszone ange­ schlossen ist. Die Kanalzone befindet sich dabei im Bereich einer Vorderseite des Halbleiterkörpers, über der die Steuer­ elektrode angeordnet ist. Vorzugsweise sind wannenartig im Bereich der Vorderseite angeordnete, die Kanalzone(n) umge­ bende Gebiete des zweiten Leitungstyps vorgesehen, die lei­ tend mit darüber angeordneten Feldplatten verbunden sind.
Aufgabe dieser Gebiete des zweiten Leitungstyps und der Feld­ platten ist es, die Ausbreitung von Ladungsträgern in latera­ ler Richtung zu begrenzen. Das Injektionsgebiet ist vorzugs­ weise beabstandet zu den Kanalzonen, getrennt durch diese Ge­ biete angeordnet.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei­ spielen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Querschnitt durch einen Ausschnitt eines erfindungs­ gemäßen Halbleiterbauelements;
Fig. 2 Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Halbleiter­ bauelements mit einer Ladungsquelle gemäß einer er­ sten Ausführungsform;
Fig. 3 Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Halbleiter­ bauelements mit einer Ladungsquelle gemäß einer zweiten Ausführungsform.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Bereiche mit gleicher Bedeutung.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauele­ ments, das im Wesentlichen als vertikaler n-Kanal-MOSFET aus­ gebildet ist. Das Halbleiterbauelement weist einen Halblei­ terkörper 2 mit einer n-dotierten Leitungszone 4 aufweist, die sich im Wesentlichen zwischen einer Vorderseite und einer Rückseite des Halbleiterkörpers 2 erstreckt, und die als Drain-Zone des MOSFET funktioniert. An der Rückseite des Halbleiterkörpers 2 ist eine gut elektrisch leitende Schicht 3, beispielsweise aus Metall oder einem n+-dotierten Halblei­ termaterial zum Anschluß einer ersten Anschlußklemme D (Drain-Anschluß) des Halbleiterbauelements aufgebracht. In die Leitungszone 4 sind im Bereich der Vorderseite des Halb­ leiterkörpers 2 p-dotierte Kanalzonen 8 eingebracht, in denen wiederum n+-dotierte Anschlußzonen 6, die Source-Zonen des MOSFET, eingebracht sind. Die Kanalzonen 8 und die Anschluß­ zonen 6 sind in dem Ausführungsbeispiel durch eine gut elek­ trisch leitende Schicht 7, vorzugsweise aus Metall oder Poly­ silizium, die zum Anschluß einer zweiten Anschlußklemme S (Source-Anschluß) des Halbleiterbauelements dient, kurzge­ schlossen. Über den Kanalzonen 8 sind Steuerelektroden 20 an­ geordnet, die gegenüber dem Halbleiterkörper durch eine Iso­ lationsschicht, vorzugsweise ein Oxid, getrennt sind und die als Gate-Elektroden des MOSFET funktionieren.
In der Leitungszone 4 sind eine Vielzahl p+-dotierter Gebiete 10 beabstandet zueinander angeordnet. Diese hochdotieren Ge­ biete 10 können willkürlich in der Leitungszone 4 verteilt oder, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, in ver­ schiedenen Ebenen des Halbleiterkörpers angeordnet sein und weisen vorzugsweise eine kugelförmige, ellipsoidförmige oder ähnliche Form auf. Der Halbleiterkörper ist vorzugsweise durch aufeinanderfolgendes Abscheiden mehrere Epitaxieschich­ ten hergestellt, wobei die Gebiete 10 während des Herstel­ lungsprozesses auf den einzelnen Epitaxieschichten gebildet werden.
Wenigstens einige der Gebiete 10 einer Ebene sind vorzugswei­ se untereinander gitterartig durch p+-dotierte Kanäle 14 mit­ einander verbunden. Vorzugsweise sind nur die Gebiete 10 mit­ einander verbunden, die im Bereich unter den Kanalzonen 8, bzw. den Source-Zonen 6 angeordnet sind. In Fig. 1 sind dies die Gebiete, die rechts der zur Verdeutlichung eingezeichne­ ten gestrichelten Linie angeordnet sind.
In den Halbleiterkörper 2 ist in dem Ausführungsbeispiel im Bereich der Vorderseite ein p+-dotiertes Injektionsgebiet 16 eingebracht, das an eine Ladungsquelle C angeschlossen ist. Die Ladungsquelle C ist in dem Ausführungsbeispiel eine Kapa­ zität C, die zwischen dem Injektionsgebiet 16 und einem Be­ zugspotential M angeschlossen ist. Das Injektionsgebiet ist in eine n+-dotierte Wanne 18 in dem Halbleiterkörper 2 einge­ bettet. Das Injektionsgebiet 16 und die n+-dotierte Wanne 18 bilden eine Zenerdiode, die von der Leitungszone 4 bzw. dem n-Substrat des Halbleiterkörpers 2 zu der Kapazität in Sper­ richtung gepolt ist.
Das Halbleiterbauelement gemäß der Ausführungsform weist wei­ terhin wenigstens ein p-dotiertes Gebiet 30 auf, das in den Halbleiterkörper 2 eingebracht ist und das die Kanalzonen 8 bzw. die Source-Bereiche 6 ringartig umgibt. Das Gebiet 30 und auch die "äußerste" der Kanalzonen 8 sind an Feldplatten 32 angeschlossen, die in einer Isolationsschicht Ox über dem Halbleiterkörper angeordnet sind. Eine äußerte Feldplatte 36, die als "channel stopper" dient, ist leitend mit dem n- Substrat des Halbleiterkörpers 2 verbunden. Aufgabe des Ge­ biets 30 und der Feldplatten 32, 36 ist es, die Ausbreitung der Ladungsträger der Leitungszone in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 2 zu begrenzen.
Das Injektionsgebiet 16 bzw. die Zenerdiode 16, 18 ist ge­ trennt durch das p-Gebiet 30 bzw. die Feldplatten 32, 36, von den Kanalzonen 8 bzw. den Source-Bereichen angeordnet. Gemäß einer weiteren nicht näher dargstellten Ausführungsform ist vorgesehen, das Injektionsgebiet zwischen den Kanalzonen an­ zuordnen, wobei das Injektionsgebiet dann vollständig von ei­ ner entsprechenden p-Gebiet- und Feldplattenstruktur umgeben sein müßte.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Halbleiterbauele­ ments wird im folgenden kurz beschrieben.
Bei Anlegen eines positiven Potentials an die Gate-Elektrode G, bzw. bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Ga­ te-Elektrode und dem Source-Anschluß S bildet sich in der Ka­ nalzone 8 ein n-leitender Kanal aus, der bei positiver Drain- Source-Spannung einen Stromfluß ermöglicht. Der Widerstand der Leitungszone 4 ist bei Spannungen, die unterhalb der Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements liegen abhängig von der Dotierung der Leitungszone 4.
Sperrt der Kanal in der Kanalzone 8 bei Wegnehmen des Ansteu­ erpotentials und baut sich eine große Drain-Source-Spannung, beispielsweise einige hundert Volt bei Verwendung des Halb­ leiterbauelements zur Ansteuerung einer Zündspule in einem Kraftfahrzeug oder einem Schaltnetzteil, auf, so breitet sich ausgehend von der Vorderseite des Halbleiterkörpers eine Raumladungszone aus, die nach und nach die in den einzelnen Ebenen angeordneten p+-Gebiete 10 erfasst. Dabei räumen sich die p-Gebiete 10 und die diese umgebenden n-Bereiche der Lei­ tungszone 4 gegenseitig aus, so daß es zu einer Verarmung an Ladungsträgern in der Leitungszone 4 kommt, was zu einer ho­ hen Spannungsfestigkeit führt. Bei diesen Vorgang wird die Kapazität C über die Zenerdiode 16, 18 auf das Potential an dem Drain-Anschluß D abzüglich der Durchbruchspannung der Zenerdiode aufgeladen. Während sich die miteinander verbunde­ nen p-Gebiete 10 einer Ebene auf gleichem Potential befinden, nimmt das Potential der nicht verbundenen p-Gebiete 10 in la­ teraler Richtung des Halbleiterkörpers ab.
Wird das Halbleiterbauelement anschließend durch Anlegen ei­ ner Ansteuerspannung an die Gate-Elektrode G leitend gemacht, bleiben die p-Gebiete 10 zunächst aufgeladen und die Lei­ tungszone 4 an Ladungsträgern verarmt. Jedoch wird beim Ein­ schalten die in der Kapazität C gespeicherte Ladung über die in Flußrichtung gepolte Zenerdiode 16, 18 in die Leitungszone 4 injiziert um die p+-Gebiete 10 zu entladen und die volle Leitfähigkeit der Leitungszone 4 wiederherzustellen. Dieser Vorgang erfolgt schnell nach dem Einschalten des Halbleiter­ bauelements.
Der erfindungsgemäße Injektor mit der Zenerdiode 16, 18 ver­ ursacht keinen zusätzlichen Spannungsabfall über der Last­ strecke, d. h. der Drain-Source-Strecke, des MOSFET.
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, die sich als Verschaltung eines MOSFET T mit einer Zenerdiode Z darstellt, wobei die Zenerdiode an das Substrat des MOSFET M angeschlossen ist. Zwischen einer Klemme 34 und einem Bezugspotential M ist die Kapazität C ge­ schaltet, die bei sperrendem MOSFET über das Substrat und die Zenerdiode Z aufgeladen wird und bei leitendem MOSFET die ge­ speicherte Ladung wieder an das Substrat abgibt.
Das Ersatzschaltbild einer weiteren Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Halbleiterbauelements ist in Fig. 3 darge­ stellt. Dabei ist die Klemme 34 über einen Widerstand R und eine Diode D an ein Hilfspotential U+ angeschlossen, wobei Ladung an das Substrat abgegeben wird, bzw. p-Ladungsträger in das Substrat injiziert werden, um die p-Gebiete 10 zu ent­ laden, wenn der MOSFET leiten soll.
Bezugszeichenliste
2
Halbleiterkörper
3
leitende Schicht
4
Leitungszone
6
n+
-Anschlußzone
8
p-Kanalzone
10
p+
-Gebiet
14
p+
-Verbindungen
16
p+
-Injektionsgebiet
18
n+
-Wanne
20
Steuerelektrode
30
p-Gebiet
32
Feldplatten
36
Feldplatte
C Kapazität
D Drain-Anschluß
DI Diode
G Gate-Anschluß
M Bezugspotential
Ox Isolationsschicht
R Widerstand
S Source-Anschluß
U+ Hilfspotential
V+ Versorgungspotential
Z Zenerdiode

Claims (8)

1. Halbleiterbauelement das folgende Merkmale aufweist:
  • - einen Halbleiterkörper (2) mit einer Leitungszone (4) eines ersten Leitungstyps, einer Anschlußzone (6) des ersten Lei­ tungstyps, einer zwischen der Anschlußzone (6) und der Lei­ tungszone (4) angeordneten Kanalzone (6) eines zweiten Lei­ tungstyps und mit einer Vielzahl von beabstandet zueinander in der Leitungszone angeordneten Bereichen (10, 12) des zwei­ ten Leitungstyps,
  • - eine isoliert gegenüber der Kanalzone (8) angeordnete Steu­ erelektrode (20),
gekennzeichnet durch folgendes weiteres Merk­ mal:
ein in dem Halbleiterkörper (2) angeordnetes Injektionsgebiet (16) des zweiten Leitungstyps, das an eine Ladungsquelle an­ geschlossen ist.
2. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehende Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Injekti­ onsgebiet (16) wenigstens teilweise von einem hochdotierten Gebiet (18) des ersten Leitungstyps umgeben ist.
3. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ei­ nige der Bereiche (10) des zweiten Leitungstyps durch Kanäle (14) des zweiten Leitungstyps miteinander verbunden sind.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalzo­ ne (8) als Wanne des zweiten Leitungstyps im Bereich einer Oberfläche des Halbleiterkörpers (2) ausgebildet ist in der die Anschlußzone (6) als Wanne des ersten Leitungstyps ausge­ bildet ist.
5. Halbleiterbauelement einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungs­ quelle (C, M; D, R, U+) eine zwischen das Injektionsgebiet (16) und ein Bezugspotential (M) geschaltete Kapazität (C) ist.
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungs­ quelle (C, M; D, R, U+) eine zwischen das Injektionsgebiet (16) und ein Versorgungspotential (U+) geschaltete Reihen­ schaltung einer Diode (D) und eines Widerstands (R) ist.
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Gebiet (30) des zweiten Leitungstyps, das an eine ober­ halb des Halbleiterkörpers (2) angeordnete Feldplatte (32) angeschlossen ist, zwischen der Kanalzone (8) und dem Injek­ tionsgebiet (16) angeordnet ist.
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kanalzone (8) und dem Injektionsgebiet (16) auf dem Halblei­ terkörper (2) wenigstens eine an die Leitungszone (4) ange­ schlossene Feldplatte (36) angeordnet ist.
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