DE4244272A1 - Feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Bauelement ist als Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT oder IGT) bekannt. Er wurde in der Europäischen Patentanmeldung EP-B1 80 044 und in der Anmeldung DE-A1 34 35 612 beschrieben. Das Wesentliche dieses Standes der Technik ist in Fig. 1 dargestellt. Für die Fig. 1 wurde eine laterale Ausführungsform auf einem SOI- Substrat (SOI = Silicon on Insulator), bestehend aus einem Trägersubstrat 5, einem vergrabenen Isolator 15 und einer Siliziumschicht 21, gewählt. Der IGBT besteht aus einer anodenseitigen Emitterzone 10, zwei daran anschließenden Basiszonen 20 und 32 mit 34 und einer kathodenseitigen Emitterzone 40. Auf einer Isolierschicht 50, welche einen Teil der kathodenseitigen Basiszone 34 überdeckt, befindet sich ein Gate genannter Steuerkontakt 60, der mit dem kathodenseitigen Emitter 40 und der anodenseitigen Basiszone 20 einen Feldeffekttransistor bildet. Das Bauelement ist mit zwei Stromanschlüssen, einer Kathode 72 und einer Anode 76 ausgestattet.

Wird der IGBT in Durchlaßrichtung gepolt und der Gate-Anschluß 60 des Feldeffekttransistors mit positivem Potential gegenüber Kathode 72 angesteuert, bildet sich in der kathodenseitigen Basiszone 34 ein leitfähiger Kanal 42 aus, der die kathodenseitige Emitterzone 40 mit der anodenseitigen Basiszone, d. h. der ersten Basiszone 20, verbindet. Der dadurch hervorgerufene Elektronenstrom wirkt als Steuerstrom für den anodenseitigen pnp-Transistor (10, 20, 34).

Der durch das Gate steuerbare Widerstand des Kanals 42 bestimmt die Höhe des Steuerstroms, die Injektion der Minoritätsladungsträger (Löcher) aus dem anodenseitigen Emitter 10, und damit die Durchlaßspannung des Bauelements. Zum Abschalten wird das Gate-Potential dem Kathoden-Potential gleichgesetzt, so daß der leitende Kanal 42 des Feldeffekttransistors verschwindet, und der Laststrom abgeschaltet wird.

Bei den vorbekannten Lösungen werden verschiedene Kurzschlußstrukturen für die Emitteranschlüsse 72 und 76 eingesetzt, um die Schalteigenschaften des Bauelements zu verbessern. Z. B. wurden anodenseitige Kurzschlüsse vorgeschlagen (EP-B1 80 044) um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen. Kathodenseitige Kurzschlüsse (DE-A1 34 35 612) sind notwendig, um den Löcherstrom des pnp-Transistors niederohmig zum Kathodenkontakt abzuführen.

Zu diesem Zweck wurde in der DE-A1 42 28 832 vorgeschlagen die bisher einteilige kathodenseitige Basiszone (s. Fig. 1) in zwei Teilbereiche 32 und 34 zu unterteilen. Der Teilbereich (34) ist moderat dotiert, und bestimmt gemeinsam mit der Dicke der Isolierschicht 50 die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors (40, 42, 20). Der Teilbereich 32 ist stark dotiert, um den Schichtwiderstand der kathodenseitigen Basiszone niedrig zu halten. Dadurch wird sichergestellt, daß der pn-Übergang zwischen dem kathodenseitigen Emitter 40 und der kathodenseitigen Basiszone 34 nicht so stark in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, daß der Emitter 40 Elektronen in den Basisbereich 34 injiziert. Eine derartige Elektroneninjektion hätte jedoch schwerwiegenden Nachteile zur Folge. Ein Einrasten der vorhandenen parasitären Thyristorstruktur (40, 34, 20, 10) in einen durchgeschalteten Zustand wäre mit einem Verlust der Wirkung der Gate- Steuerung verbunden.

Selbst wenn der vorstehend beschriebene Kurzschluß des kathodenseitigen Emitters verwendet wird, kann der Löcherstrom in dem p-leitenden Basisbereich 34 immer noch einen genügend hohen Spannungsabfall bewirken, der ausreicht, um eine Elektroneninjektion aus dem Emitter (40) hervorzurufen, um damit die parasitäre Thyristorstruktur (40, 34, 20, 10) zu zünden.

Ein besonders gefährlicher Arbeitszustand entsteht während eines induktiven Abschaltvorgangs, in dem eine Zeit lang der gesamte Laststrom durch einen Löcherstrom getragen wird. Diese Gefahr schränkt den sicheren Arbeitsbereich des Bauelements stark ein.

Ein ähnlicher Nachteil ist beim Einsatz von MOS-gesteuerten Thyristoren bekannt, wurde durch eine Weiterentwicklung des Emitter-Switched- Thyristors (s. DE-A1 42 28 832) dadurch behoben, daß der Löcherstrom über ein Basis-Kathode-Koppelelement mit einer nichtlinearen IU- Kennlinie abgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein feldgesteuertes Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß der sichere Arbeitsbereich (SOA) eines IGBTs erweitert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein zur kathodenseitigen Basiszone benachbartes separat liegendes und in die anodenseitige n- Basiszone (20) eingebrachtes p⁺-Gebiet (36) über ein integriertes Bauelement (80) mit nichtlinearer Strom-/Spannungskennlinie mit dem Kathodenkontakt verbunden ist.

Der IGBT wird, wie in der vorbekannten Lösung durch das Schalten des Gate-Potentials gesteuert. In einem Durchlaßzustand entsteht in der anodenseitigen Basiszone eine Potentialverteilung, die dazu führt, daß das zusätzlich eingebrachte p⁺-Gebiet das Potential der Umgebung annimmt und keine Wirkung hat. Die Schleusenspannung des nichtlinearen Koppelelements muß so bemessen werden, daß sie leicht höher ist als das auf die Kathode bezogene Potential des p⁺-Gebietes. Bei in Abschalten des Feldeffekttransistors wird das elektrische Potential der Umgebung des zusätzlichen p⁺-Gebietes die Schleusenspannung des Koppelelements überschreiten, das Potential des p⁺-Gebiets wird aber durch die Schleusenspannung geklemmt. Das hat zur Folge, daß das p⁺-Gebiet als Stromsenke wirkt, und der über diesen Pfad abfließende Löcherstrom nur einen kleinen dynamischen Widerstand des Koppelelements überwinden muß.

Die erfindungsgemäße Lösung zeigt besondere Vorteile beim Betrieb von lateral ausgelegten IGBTs auf SOI-Substraten, wo der Laststrom durch eine dünne Schicht geprägt wird, und die Wirkung des p⁺-Gebietes zur Erweiterung des SOA-Bereiches besonders stark ausgeprägt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 den Stand der Technik und

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement.

Eine zweckmäßige Ausführungsform des Koppelelementes besteht in einer in Sperrichtung gepolten, monolithisch integrierten Zenerdiode. Eine zweite, bevorzugte Ausführungsform nutzt die vorhandene Schicht aus polykristallinem Silizium zur Herstellung einer in Durchlaßrichtung gepolten Diodenkette.

Eine bevorzugte Auslegung des Bauelements auf einem SOI-Substrat ist in der Fig. 2 dargestellt. Das zusätzlich eingebrachte p⁺-Gebiet 36 ist mit einem elektrischen Kontakt 74 versehen und über eine schematisch dargestellte 80, monolitisch integrierte Diodenkette an den Kathodenkontakt angebunden. Die Diodenkette besteht bevorzugt aus zwei in Sperrichtung gepolten Polysilizium-Dioden. Diese Ausführungsform benötigt keine zusätzlichen Herstellungsschritte und kann im normalen Prozeßablauf zur Herstellung eines IGBTs realisiert werden.

Das in Fig. 2 dargestellte Halbleiterelement weist in lateraler Form die stark p-dotierte, anodenseitige Emitterschicht 10, die erste Basiszone 20 mit n-Dotierung, die zweite Basiszone mit dem stark p-dotierten Teilbereich 32, dem p-dotierten Teilbereich 34 und dem von diesen Teilbereichen 32, 34 durch die n-Schicht 20 getrennten Teilbereich 36 auf. Als Emitterzone 40 dient ein n-dotiertes Gebiet, das von der Kathode K bis unter Emitter den G reicht. Ein Anodenanschluß A mit dem Anodenkontakt 76 und ein Kathodenanschluß K mit dem Kathodenkontakt 72 ist ebenso vorhanden. Ein Gate 60 befindet sich auf einer Isolierschicht 50, die sich vom Gebiet 10, das sie teilweise überdeckt, über den Teilbereich 36 und um die Aussparung des Kontakts 74 herum über die n-Schicht der ersten Basiszone 20 und den Teilbereich 34 bis zu einem stark n-dotierten Gebiet 40 erstreckt, das sie teilweise bedeckt. Der andere Teil des Gebiets 40 und der Teilbereich 32 wird vom Kathodenkontakt 72 bedeckt.

Die in Durchlaßrichtung gepolte Diodenkette wird durch abwechselnde p⁺- und n⁺-Dotierungen einer Halbleiterschicht aus polykristallinem Silizium auf einer Isolierschicht und eine entsprechende Metallisierung hergestellt.

Die erfindungsgemäße Lösung gilt auch für komplementär ausgeführte Strukturen, in denen n- und p-Gebiete jeweils in ihrem Leitungstyp vertauscht sind.

Claims (5)

1. Feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leistungstyps, einer anodenseitigen Emitterzone, einer daran anschließenden ersten und zweiten Basiszone und einer kathodenseitigen Emitterzone, wobei die letztgenannte Emitterzone und die erste Basiszone Source und Drain eines MOS-Feldeffekt-Transistors bilden, mit einem Anodenkontakt, einem Kontakt an der kathodenseitigen Emitterzone und einem Steuerelektrodenkontakt des MOS-Feldeffekt-Transistors, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur kathodenseitigen Basiszone benachbartes, separat liegendes und in die anodenseitige n-Basiszone (20) eingebrachtes p⁺-Gebiet (36) über ein integriertes Bauelement (80) mit nichtlinearer Strom-/Spannungskennlinie mit dem Kathodenkontakt verbunden ist, wobei das Gebiet (36) direkt von der anodenseitigen Basiszone (20) umgeben ist.

2. Feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (80) eine in Sperrichtung gepolte, monolithisch integrierte Zenerdiode ist.

3. Feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (80) als Diodenkette in eine vorhandene Schicht aus polykristallinen Silizium integriert und in Durchlaßrichtung gepolt ist.

4. Feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht 40 von einer stark dotierten p-Schicht (32) teilweise überdeckt ist.

5. Feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige Basiszone (20) auf der von der Halbleiteroberseite abgewandten Fläche an der Isolierschicht (15) vollständig anliegt.