DE10243743B4 - Quasivertikales Halbleiterbauelement - Google Patents
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Abstract
Quasivertikales Halbleiterbauelement mit mindestens zwei in einer Wanne (7) angeordneten und Bodyzonen (11) aufweisenden Innenzellen (8), einem zwischen der Wanne (7) und einem Halbleitersubstrat (1) vorgesehenen Buried Layer (3) und einer den Buried Layer (3) zu einer Oberfläche des Halbleiterbauelementes verbindenden Sinkerzone (4),
dadurch gekennzeichnet,
– dass die Bodyzonen (11) mit zunehmender Nähe zur Sinkerzone (4) breiter gestaltet sind und/oder einen größeren Krümmungsradius haben als in zunehmender Entfernung von der Sinkerzone (4), und/oder
– dass das Raster der Innenzellen (8) mit zunehmender Entfernung von der Sinkerzone (4) größer ist als in zunehmender Nähe zur Sinkerzone (4),
– so dass der Vorwärtsstrom und der Sperrstrom der einzelnen Innenzellen (8) des Halbleiterbauelements unabhängig von deren Lage in Bezug zur Sinkerzone (4) in Abhängigkeit von der Sinkerspannung jeweils den gleichen konstanten Wert aufweisen.
dadurch gekennzeichnet,
– dass die Bodyzonen (11) mit zunehmender Nähe zur Sinkerzone (4) breiter gestaltet sind und/oder einen größeren Krümmungsradius haben als in zunehmender Entfernung von der Sinkerzone (4), und/oder
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein quasivertikales Halbleiterbauelement mit mindestens zwei in einer Wanne angeordneten und Bodyzonen aufweisenden Innenzellen, einem zwischen der Wanne und einem Halbleitersubstrat vorgesehenen Buried Layer (”Vergrabene Schicht”) und einer den Buried Layer zu einer Oberfläche des Halbleiterbauelementes verbindenden Sinkerzone (”Anschlusszone” für Buried Layer).
- Ein ähnliches quasivertikales Halbleiterbauelement ist beispielsweise in B. Murari u. a.: ”Smart Power ICs”, Springer, Seiten 20 und 32 bis 36, beschrieben.
- In
5 ist in einer Schnittdarstellung der prinzipielle Aufbau eines solchen herkömmlichen quasivertikalen Halbleiterbauelementes dargestellt. Bei diesem Halbleiterbauelement kann es sich beispielsweise um eine Diode, einen vertikalen DMOS-Transistor, einen Bipolartransistor oder einen Thyristor handeln. - In allen diesen Fällen weist das quasivertikale Halbleiterbauelement ein beispielsweise p-leitendes Halbleitersubstrat
1 aus Silizium und eine darauf vorgesehene n-leitende Halbleiterschicht2 aus beispielsweise ebenfalls Silizium auf. Die Halbleiterschicht2 kann dabei durch Epitaxie auf das Halbleitersubstrat1 aufgebracht sein. - Zwischen dem Halbleitersubstrat
1 und der Halbleiterschicht2 befindet sich ein n+-leitender Buried Layer3 , der über eine ebenfalls n+-leitende Sinkerzone4 zu einer Oberfläche des Halbleiterbauelementes verbunden ist, an welcher eine n++-leitende Anschlusszone5 mit einem Sinkeranschluss6 vorgesehen ist. Allgemein kann für die Sinkerzone4 jede Art einer leitenden Verbindung zwischen dem Buried Layer3 und der Oberfläche benutzt werden, wie beispielsweise ein mit dotiertem polykristallinem Silizium gefüllter Trench (Graben). - Mit dem Buried Layer
3 und der gegebenenfalls ringförmig gestalteten Sinkerzone4 wird in der Halbleiterschicht2 eine gemeinsame, n-leitende Wanne7 gebildet, die verschiedene Innenzellen8 enthält, welche über einen gemeinsamen Anschluss9 parallel zueinander geschaltet sind. - Ein Randabschluss
10 sorgt für eine für das Bauelement nicht begrenzende Spannungsfestigkeit zwischen der letzten Innenzelle8 und der Sinkerzone4 . - Dieser Randabschluss
10 kann aus einer geeigneten Kombination von Diffusionen in der Wanne7 , einer Isolationsschicht, die beispielsweise aus Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid besteht, und einer über dieser Isolationsschicht liegenden Feldplatte (z. B. aus Metall oder Polysilizium) bestehen. - Abhängig von der Art bzw. dem Aufbau der Innenzellen
8 handelt es sich bei dem dargestellten quasivertikalen Halbleiterbauelement um eine Diode, einen vertikalen DMOS-Transistor, einen Bipolartransistor oder einen Thyristor. - Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die hier und im Folgenden angegebenen Leitungstypen nur Beispiele sind. Es ist also selbstverständlich möglich, diese Leitungstypen konträr vorzusehen, also beispielsweise den n-Leitungstyp durch den p-Leitungstyp und umgekehrt zu ersetzen. Ebenso kann jedes geeignete Halbleitermaterial, wie insbesondere Silizium, Siliziumcarbid usw. für das quasivertikale Halbleiterbauelement verwendet werden.
-
6 zeigt als erstes konkretes Beispiel für das Halbleiterbauelement von5 den Aufbau eines quasivertikalen up-Drain-DMOS-Transistors, also eines DMOS- Transistors, dessen Drainanschluss nicht wie bei einer Vertikalstruktur auf der Rückseite des Substrats, sondern auf der gleichen Seite wie Gateanschluss und Sourceanschluss bzw. Bodyanschluss, liegt. Die Innenzellen8 bestehen hier aus einer p-leitenden Bodyzone11 und einer n-leitenden Sourcezone12 , wobei die Bodyzone11 und die Sourcezone12 mit einem gemeinsamen Kontakt13 versehen sein können. - Die einzelnen Sourcezonen
12 der verschiedenen Innenzellen8 können durch Diffusion hergestellt sein und parallel zu Drain aus Sinkerzone4 , Buried Layer3 und Wanne7 verlaufen. Es ist aber auch eine polygonale Gestaltung der jeweiligen Innenzellen8 möglich. - Zwischen den einzelnen Sourcezonen
12 befinden sich Gateelektroden14 auf einem nicht näher dargestellten Gateoxid. - Der Strom von den Sourcezonen
12 fließt über die unter den Gateelektroden14 in den Bodyzonen11 ausgebildeten Kanälen in die gemeinsame Wanne7 und von dieser zum Buried Layer3 , von wo aus der Strom weiter über die Sinkerzone4 und die Anschlusszone5 in den einen Drainanschluss bildenden Sinkeranschluss6 strömt. - Werden in dem Beispiel von
6 die Gateelektroden14 weggelassen und die Anschlüsse für die Bodyzonen11 und die Sourcezonen12 getrennt herausgeführt, so entsteht ein Bipolartransistor, wie dieser in7 dargestellt ist und dort über eine gemeinsame p-leitende Basiszone15 mit p+-leitenden Basisanschlusszonen16 sowie in die Basiszone15 eingebettete n-leitende Emitterzonen17 verfügt. Die Basiszonen16 und die Emitterzonen17 in der gemeinsamen Wanne7 sind hierbei jeweils zusammengeschaltet. Der Sinkeranschluss6 bildet bei diesem Bipolartransistor einen Kollektoranschluss. -
8 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein den Beispielen der5 bis7 entsprechendes Impedanznetzwerk, aus welchem zu ersehen ist, wie der Buried Layer3 einen Spannungsabfall infolge seines Innenwiderstandes mit Widerständen R1, R2, R3, ... zwischen den einzelnen Innenzellen8 verursacht. Außerdem kann gegebenenfalls ein Gradient in der RC-Konstante der jeweiligen Body-Drain-Dioden der einzelnen Innenzellen8 von außen, also von der Sinkerzone4 aus nach innen zur Zelle vorhanden sein. Dieser Gradient in der RC-Konstanten, also im komplexen Leitwert Y (R, C) = 1/Z (Z = komplexer Widerstand) ist in8 schematisch durch die einzelnen imaginären Widerstände veranschaulicht. Er macht sich bei hoher Stromdichte bzw. schnellen Spannungsänderungen um so stärker bemerkbar, je mehr Innenzellen8 in der Wanne7 parallel zueinander liegen und je hochohmiger bzw. niedriger dotiert der Buried Layer3 ist. - Bei einem quasivertikalen Halbleiterbauelement der oben geschilderten Art sind vor allem Arbeitspunkte kritisch, bei denen die Verlustleistung hoch ist und in denen der Strom i an einem gemeinsamen Anschluss
18 eine starke Abhängigkeit von der am Sinkeranschluss6 anliegenden Spannung u aufweist. - Es ist nun typischerweise der Fall eines Sperr- bzw. Avalanchebetriebes aller Arten von quasivertikalen Halbleiterbauelementen, dass bei ihnen die Sinker-Spannung u bei einem bestimmten Avalanche- bzw. Sperrstrom i2 schlagartig auf eine niedrige Spannung abfällt bzw. ”zurückschnappt”. Dies wird auch als ”Snap-Back” bezeichnet. Für viele Halbleiterbauelemente ist dieses Snap-Back unerwünscht und begrenzt deren sicheren Betriebsbereich (Save Operating Area). Für andere Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise ESD-Schutzstrukturen (ESD = Electro Static Discharge) ist dieses Snap-Back erwünscht, was zumeist nur bei einer optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche gilt.
- In beiden obigen Fällen ist es aber wünschenswert, dass die Verlustleistung gleichmäßig über die Fläche der Innenzellen
8 in der Wanne7 verteilt ist und dass alle Innenzellen8 unter einem gleichen oder wenigstens ähnlichen Arbeitspunkt auf ihre ”Avalanche-Kennlinie” triggern. - Aus den
9A , in welcher der Vorwärtsstrom i1 eines Halbleiterbauelementes mit Innenzellen 1 bis N in Abhängigkeit von der Sinker-Spannung u dargestellt ist, und der9B , die die Abhängigkeit des Sperrstromes i2 des Halbleiterbauelementes in Abhängigkeit von der Sinker-Spannung u dieses Halbleiterbauelementes zeigt, ist nun ersichtlich, dass die einzelnen Innenzellen8 (die Zelle 1 bezeichnet eine Zelle, die am nächsten zur Sinkerzone4 gelegen ist, während die Zelle N/2 eine Zelle in der Mitte der Wanne7 angibt) sehr unterschiedliche Arbeitspunkte haben, wobei die Lage dieser Arbeitspunkte von dem Abstand der jeweiligen Innenzellen8 von der Sinkerzone4 abhängt. Die erste Zelle (Zelle 1), die ihren Triggerstrom zu einem Snap-Back erreicht (vgl. hierzu speziell9B ) begrenzt dabei die Festigkeit des Halbleiterbauelementes insgesamt. - Eine weitere Ursache, weshalb ein Gradient in der Stromergiebigkeit der einzelnen parallel zueinander liegenden Innenzellen
8 unerwünscht sein kann, könnte eventuell in der aufwändigen Skalierbarkeit der Stromeigenschaften des Halbleiterbauelements mit der Anzahl von dessen Innenzellen liegen, welche sich wiederum aus dem Spannungsabfall im Buried Layer3 ergibt. - Ein grundsätzliches Problem bei quasivertikalen Halbleiterbauelementen besteht also darin, dass die Arbeitspunkte der Innenzellen stark abhängig von der Sinkerspannung u ist und die Innenzellen sich daher abhängig von ihrem Abstand von der Sinkerzone
4 in unterschiedlichen Arbeitspunkten befinden. Dies resultiert in Fällen einer hohen Verlustleistung wie im Durchbruch des Halbleiterbauelementes in einer nicht optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Halbleiterfläche. - Im einzelnen ist aus der
US 5,635,742 A ein quasivertikales Bauelement bekannt, bei welchem ein Buried Layer über Sinkerzonen und Kontakte mit einer Metallisierung verbunden ist. Oberhalt des Buried Layers sind Feldeffekttransistorzellen mit p-leitenden Bodybereichen und n-leitenden Sourcezonen in eine epitaktische Schicht eingebettet. Die Innenzellen sind dabei gleich gestaltet und auch im gleichen Abstand zu den einzelnen Sinkerzonen gelegen. - Weiterhin offenbart die
US 5,672,528 A eine DMOS-Einrichtung mit einzelnen aktiven Zellen, deren Kontakte unterschiedliche Abmessungen haben. - Schließlich ist in der
DE 693 15 239 T2 ein Halbleiterbauelement beschrieben, wie es im Wesentlichen in der6 gezeigt und oben erläutert ist. Bei diesem Halbleiterbauelement liegen Innenzellen vor, die im Wesentlichen gleich gestaltet und in einer Wanne aus einem Buried Layer und einer Sinkerzone gelegen sind. - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein quasivertikales Halbleiterbauelement zu schaffen, bei dem letztlich die durch einen Spannungsabfall im Buried Layer bewirkten Nachteile überwunden sind.
- Diese Aufgabe wird bei einem quasivertikalen Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
- – dass die Bodyzonen mit zunehmender Nähe zur Sinkerzone breiter gestaltet sind und/oder einen größeren Krümmungsradius haben als in zunehmender Entfernung von der Sinkerzone, und/oder
- – dass das Raster der Innenzellen mit zunehmender Entfernung von der Sinkerzone größer ist als in zunehmender Nähe zur Sinkerzone,
- – so dass der Vorwärtsstrom und der Sperrstrom der einzelnen Innenzellen des Halbleiterbauelements unabhängig von deren Lage in Bezug zur Sinkerzone in Abhängigkeit von der Sinkerspannung jeweils den gleichen konstanten Wert aufweisen. Die Innenzellen haben damit einen im Wesentlichen ähnlichen Arbeitspunkt, so dass Unterschiede zwischen den Innenzellen ausgeglichen werden.
- Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelement wird durch entsprechende Maßnahmen dafür gesorgt, dass sich dessen Innenzellen in einem möglichst großen Teil ihres Betriebsbereiches in einem ähnlichen Arbeitspunkt befinden. Der Ausgleich der Unterschiede kann allgemein beispielsweise durch Variation der Struktur der Innenzellen mittels Prozessierung, Verdrahtung, Layout usw. erfolgen. Durch diese Variation können so vom Buried Layer verursachte Unterschiede zwischen den Innenzellen gegebenenfalls abhängig von der Sinkerspannung ausgeglichen werden.
- Wesentlich an dem erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelement ist also, dass ein durch den Buried Layer erzeugter Spannungsgradient zwischen den parallel zueinander liegenden Innenzellen ausgeglichen wird, indem in diesen Innenzellen für einen entsprechenden Ausgleich gesorgt wird. Dadurch wird erreicht, dass sich alle Innenzellen in der Wanne des Halbleiterbauelementes bei einer bestimmten Sinker-Spannung in einem ähnlichen Arbeitspunkt für den Vorwärtsstrom i1 bzw. den Sperrstrom i2 befinden. Hierzu wird ein ”Gradient” in die einzelnen Innenzellen eingebaut, welcher speziell beispielsweise durch Breite und/oder Raster der Innenzellen oder durch die Verdrahtung oder durch spezielle Prozessmaßnahmen, wie zusätzliche Diffusionen, herbeigeführt wird.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1A die Abhängigkeit des Vorwärtsstromes i1 von der Sinker-Spannung u bei dem erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelement, -
1B die Abhängigkeit des Sperrstromes i2 von der Sinker-Spannung u bei dem erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelement, -
2 eine Schnittdarstellung im Basisbereich eines Bipolartransistors als einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelementes, -
3 eine Schnittdarstellung eines Source-Zellenfeldes eines up-Drain-DMOS-Transistors als einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes, -
4 eine Schnittdarstellung des Source-Zellenfeldes eines up-Drain-DMOS-Transistors als einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelementes, -
5 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung des allgemeinen Aufbaues eines quasivertikalen Halbleiterbauelementes, -
6 eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen quasivertikalen up-Drain-DMOS-Transistors, -
7 eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen quasivertikalen Bipolartransistors, -
8 ein Impedanznetzwerk bei einem herkömmlichen quasivertikalen Halbleiterbauelement, -
9A die Abhängigkeit des Vorwärtsstromes i1 von der Sinker-Spannung u bei einem herkömmlichen quasivertikalen Halbleiterbauelement, und -
9B die Abhängigkeit des Sperrstromes i2 von der Sinker-Spannung u bei einem herkömmlichen quasivertikalen Halbleiterbauelement. - Die
5 bis9A ,9B sind bereits eingangs erläutert worden. - In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
- Bei dem erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelement werden letztlich die Folgen ausgeglichen, die durch den im Buried Layer infolge dessen Widerstandes auftretenden Spannungsabfall bewirkt sind. Das heißt, ein durch diesen Spannungsabfall bewirkter ”Gradient” zwischen den einzelnen Innenzellen des Halbleiterbauelementes wird ausgeglichen. Als Konsequenz dieses Ausgleiches haben alle Innenzellen unabhängig von der Sinkerspannung einen im Wesentlichen ähnlichen Arbeitspunkt, wie dies in den
1A und1B gezeigt ist. So zeigt1A die Abhängigkeit des Vorwärtsstromes i1 in Abhängigkeit von der Sinkerspannung u, während in1B die Abhängigkeit des Sperrstromes i2 in Abhängigkeit von der Sinkerspannung u dargestellt ist. Wie aus diesen1A und1B zu ersehen ist, liegen bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement von der Innenzelle 1 in der Nähe der Sinker-zone bis zu der Innenzelle N/2 in der Mitte der Wanne7 praktisch die gleichen Werte für den Vorwärtsstrom i1 (vgl.1A ) bzw. für den Sperrstrom i2 (vgl.1B ) vor, so dass nicht mehr eine Streuung der Arbeitspunkte wie bei den bestehenden Halbleiterbauelementen auftritt, wie dies anhand der9A und9B erläutert wurde. Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelement hat der Vorwärtsstrom i1 bzw. der Sperrstrom i2 unabhängig von der Lage der Innenzelle am Rand oder in der Mitte der Wanne7 in Abhängigkeit von der Sinkerspannung u immer im Wesentlichen den gleichen konstanten Wert. - Die
2 bis4 veranschaulichen nun konkrete Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelementes, in denen dargestellt ist, wie dafür gesorgt werden kann, dass die Innenzellen einen im Wesentlichen ähnlichen Arbeitspunkt aufweisen. - In
2 ist als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelementes ein Bipolartransistor dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Variation des Basis-Kollektor-Durchbruches mit Hilfe von beispielsweise durch Hochenergie-Implantation eingebrachten p-leitenden Zonen20 , die zusätzlich zu dem herkömmlichen Bipolartransistor von7 im Bereich des pn-Überganges zwischen der Basiszone15 und der Wanne7 vorgesehen sind. Diese Zonen20 sind nun so gestaltet bzw. dotiert, dass größere Krümmungsradien am Rand der Wanne7 als in deren Mitte vorliegen, so dass für die Innenzellen8 durch diese Zonen20 erreicht wird, dass ein Gradient im Durchbruch von ”innen nach außen” vorliegt. Das heißt, die in der Mitte des Buried Layers3 an sich niedrigere Spannung, die durch den Spannungsabfall im Buried Layer3 bewirkt ist, wird in ihrer Auswirkung auf das Durchbruchverhalten dadurch ausgeglichen, dass hier für kleinere Krümmungsradien des pn-Überganges zwischen der Basiszone15 und der Wanne7 als im Randbereich der Wanne7 gesorgt wird, in welchem die Zonen20 einen größeren Krümmungsradius haben, so dass dort die größere anliegende Spannung, die an sich eher zu einem Durchbruch führt, durch den größeren Krümmungsradius des pn-Überganges ausgeglichen wird. Hier wird also die Tatsache ausgenutzt, dass kleinere Krümmungsradien für niedrigere Durchbruchspannungen sorgen. -
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes anhand eines up-Drain-DMOS-Transistors, bei dem ähnlich wie im Ausführungsbeispiel von2 durch Zonen20 , die durch Hochenergie-Implantation eingebracht sein können, der Durchbruch zwischen den Bodyzonen11 und der einen Teil von Drain bildenden Wanne7 ausgeglichen wird. Aus einem Vergleich der3 mit der6 ergibt sich sofort der wesentliche Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung: im Unterschied zu dem herkömmlichen Transistor sind bei dem erfindungsgemäßen quasivertikalen Halbleiterbauelement die einzelnen Bodyzonen11 der jeweiligen Innenzellen8 durch Zonen20 unterlegt, die ähnlich wie im Ausführungsbeispiel von2 einen sich von außen nach innen ändernden Krümmungsradius haben, wobei der Krümmungsradius auch hier am Rand der Wanne7 größer ist als in deren Mitte. Auf diese Weise wird wie beim Ausführungsbeispiel von2 erreicht, dass die einzelnen Innenzellen eine ähnliche Durchbruchsfestigkeit (Latch-up-Festigkeit) haben. -
4 zeigt schließlich noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes in der Form eines up-Drain-DMOS-Transistors, bei dem durch Variation der Breite der einzelnen Bodyzonen11 und deren Raster eine zu den Ausführungsbeispielen der2 und3 vergleichbare Wirkung erzielt wird. Das heißt, beim Ausführungsbeispiel von4 haben die am Rand der Wanne7 gelegenen Bodyzonen11 einen größeren Krümmungsradius als die Bodyzonen11 in der Mitte der Wanne7 , und außerdem sind die Bodyzonen11 am Rand der Wanne7 näher zueinander angeordnet als in der Mitte der Wanne7 . Auch hierdurch wird bewirkt, dass die pn-Übergangs struktur im Bereich höherer Spannungen des Buried Layers3 über größere Krümmungsradien verfügt, also letztlich flacher ist als in dem Mittenbereich der Wanne7 . - Die Erfindung ermöglicht so erstmals die Möglichkeit, durch gezielte Variation der Gestaltung des pn-Überganges zwischen Bodyzonen und Wanne für einen Ausgleich des Spannungsabfalles längs eines Buried Layers zu sorgen. Hierdurch wird eine erhebliche Verbesserung speziell der Durchbrucheigenschaften eines erfindungsgemäß gestalteten Halbleiterbauelementes geschaffen.
Claims (5)
- Quasivertikales Halbleiterbauelement mit mindestens zwei in einer Wanne (
7 ) angeordneten und Bodyzonen (11 ) aufweisenden Innenzellen (8 ), einem zwischen der Wanne (7 ) und einem Halbleitersubstrat (1 ) vorgesehenen Buried Layer (3 ) und einer den Buried Layer (3 ) zu einer Oberfläche des Halbleiterbauelementes verbindenden Sinkerzone (4 ), dadurch gekennzeichnet, – dass die Bodyzonen (11 ) mit zunehmender Nähe zur Sinkerzone (4 ) breiter gestaltet sind und/oder einen größeren Krümmungsradius haben als in zunehmender Entfernung von der Sinkerzone (4 ), und/oder – dass das Raster der Innenzellen (8 ) mit zunehmender Entfernung von der Sinkerzone (4 ) größer ist als in zunehmender Nähe zur Sinkerzone (4 ), – so dass der Vorwärtsstrom und der Sperrstrom der einzelnen Innenzellen (8 ) des Halbleiterbauelements unabhängig von deren Lage in Bezug zur Sinkerzone (4 ) in Abhängigkeit von der Sinkerspannung jeweils den gleichen konstanten Wert aufweisen. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Breite und/oder des Krümmungsradius und/oder des Rasters der Innenzonen (
8 ) durch zusätzliche dotierte Gebiete (20 ) bewirkt ist. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen dotierten Gebiete (
20 ) durch Hochenergie-Ionenimplantation eingebracht sind. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen dotierten Gebiete (
20 ) zwischen der Wanne (7 ) und der Bodyzone (11 ) der Innenzellen (8 ) liegen. - Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinkerzone (
4 ) am Rand der Wanne (7 ) vorgesehen ist.
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DE102014202030A1 (de) * | 2014-02-05 | 2015-08-06 | Robert Bosch Gmbh | Gleichrichterschaltung, elektronisches Bauelement, Generator und Verfahren zum Betreiben einer Gleichrichterschaltung |
JP6613610B2 (ja) * | 2015-05-14 | 2019-12-04 | 富士電機株式会社 | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
WO2018000357A1 (en) * | 2016-06-30 | 2018-01-04 | Texas Instruments Incorporated | Power mosfet with metal filled deep sinker contact for csp |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5635742A (en) * | 1994-02-02 | 1997-06-03 | Nissan Motor Co., Ltd. | Lateral double-diffused mosfet |
US5672528A (en) * | 1995-01-23 | 1997-09-30 | Delco Electronics Corporation | Method for making semiconductor device having field limiting ring |
DE69315239T2 (de) * | 1992-02-18 | 1998-03-19 | St Microelectronics Srl | VDMOS-Transistor mit verbesserter Durchbruchsspannungscharakteristik |
Family Cites Families (2)
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---|---|---|---|---|
US6049108A (en) * | 1995-06-02 | 2000-04-11 | Siliconix Incorporated | Trench-gated MOSFET with bidirectional voltage clamping |
US6657255B2 (en) * | 2001-10-30 | 2003-12-02 | General Semiconductor, Inc. | Trench DMOS device with improved drain contact |
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE69315239T2 (de) * | 1992-02-18 | 1998-03-19 | St Microelectronics Srl | VDMOS-Transistor mit verbesserter Durchbruchsspannungscharakteristik |
US5635742A (en) * | 1994-02-02 | 1997-06-03 | Nissan Motor Co., Ltd. | Lateral double-diffused mosfet |
US5672528A (en) * | 1995-01-23 | 1997-09-30 | Delco Electronics Corporation | Method for making semiconductor device having field limiting ring |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Murari,B. et al: Smart Power ICs, Technologies and Applications Springer, S. 20, 32-38 * |
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