DE19823944A1 - Leistungsdioden-Struktur - Google Patents
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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.
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