DE4236557C2 - Leistungs- Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungs-Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

In Schaltkreisen mit induktiver Last muß eine Freilaufdiode schaltungsgerecht beigeordnet werden.

DE 33 31 631 C2 beschreibt ein Leistungs-Halbleiterbauelement, das aus einer Transistoreinheit und einer Diode besteht. Hier ist die Diode in den Transistor integriert. Dabei handelt es sich um einen Bipolar-Transistor mit einer einteiligen Freilaufdiode. Zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit wird die Diode partiell mit Gold diffundiert.

In Halbleiter-Leistungsschaltern auf der Grundlage von bipolaren Transistoren oder Thyristoren sind weitere Lösungen der Integration der Freilaufdioden in Form der Ein-Chip- Technologie bekannt.

Die Anforderungen an diese integrierte Freilaufdiode sind dadurch definiert, daß sie sowohl gute Durchlaßeigenschaften (einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall) als auch gute Schalteigenschaften (ein sogenanntes "soft-Recovery- Verhalten") besitzen muß.

Bei den bestehenden Konzeptionen zur Integration der Diode in das schaltende Bauelement ist die Optimierung der erforderlichen dynamischen Parameter sehr schwer möglich, da die zur Herstellung der Schaltbauelemente verwendete Technologie die Freilaufdiodenparameter zwangsläufig prägt. Aus diesem Grunde hat sich die "Ein-Chip-Technologie" praktisch für Leistungsschalter mit Freilaufdiode nicht durchgesetzt.

Dieser Hinderungsgrund besteht bei der Integration von Freilauf­ dioden in Leistungs-Halbleiterbauelemente-Chips mit MOS- oder IGBT-Strukturen verstärkt wegen noch differenterer Herstellungstechnologien der Transistorstrukturen und der der Freilaufdioden.

Es ist bisher nur unzureichend gelungen, die Kompatibilität der erforderlichen Parameter zu erreichen. Das hat dazu geführt, daß bei dem Einsatz von MOSFET oder IGBT als Leistungs-Halbleiter- Schalter ein getrennter Chipaufbau gewählt wird. In diesen Aufbauten wird dann über Drahtverbindungen der Kommutierungs­ kreis innerhalb des Moduls für die Schaltungseinrichtung geschlossen.

Diese dem Stand der Technik entsprechende Aufbaumethode besitzt den Vorteil, die Sperrspannungsbelastbarkeit und die übrigen relevanten Parameter der einzelnen Bauelemente durch elektrische Vorprüfung genau aufeinander abstimmen zu können. Dabei wird der Nachteil des größeren Arbeits- und Kostenaufwandes sowie der größere Platzbedarf in dem Schaltermodul zwangsläufig in Kauf genommen.

DE 38 23 795 A1 stellt eine Freilaufdiode, die ein soft- recovery-Verhalten aufweist, dar. Auch DE 36 33 161 C2 beschreibt ein Halbleiterbauelement mit einem verbesserten Recovery-Verhalten bei Kommutierung mit guten Durchlaß­ eigenschaften und geringem Sperrstrom für einen weiten Strom- und Spannungsbereich. Allen diesen Dioden ist gemeinsam, daß die Maßnahmen zu Erreichung des soft-recovery-Verhaltens zu Lasten eines erhöhten Durchlaßspannungsabfalles gehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungs- Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art, bestehend aus einem Substrat mit Leistungsschaltelement und einer Freilaufdiode darzustellen, wobei die Freilaufdiode ein in ihren elektrischen Eigenschaften angepaßtes optimales Verhalten aufweist, das sind eine niedrige Sperrverzögerungsladung bzw. ein niedriger Rückstrom, geringe Schaltverluste und ein kleiner Durchlaßspannungsabfall.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es ist möglich, eine Diode aus zwei Teilbereichen in einem Substrat herzustellen, in der in den Teilbereichen unterschiedliche elektrische Eigenschaften ausgebildet worden sind, so daß diese Diode alle geforderten Aufgaben optimal erfüllt. In dem einen Teil (Teilbereich A) sind die elektrischen Eigenschaften auf ein optimales Soft-recovery-Verhalten und in dem anderen Teil (Teilbereich B) sind die elektrischen Eigenschaften auf einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall eingestellt, wobei ein snappiges (hartes) Verhalten in diesem. Teilbereich (B) in Kauf genommen wird, denn die gesamte Diodeneinrichtung weist ein soft-recovery-Verhalten auf.

Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Vorschlägen zur Integration der Freilaufdiode ermöglicht die hier vorgestellte Freilaufdiode mit einer Aufteilung in einen soften (weich schaltenden) Bereich (A) und einem snappigen (hart schaltenden) Bereich (B) eine Optimierung dieser Diode durch das Flächenverhältnis beider Bereiche (A und B), zueinander. Die durch diese Teilung der unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften in den beiden Diodenteilbereichen (A und B) gewonnenen Freiheitsgrade ermöglichen es, die im Stand der Technik erkennbaren Hindernisse zur Integration in die Schalterchips auszuräumen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Die Fig. 1 bis 3 sind Skizzen des Querschnittes durch das Halbleitersubstrat im Ausschnitt an der Grenzfläche des Schalters (S) zur Diode (A, B) in nicht maßstabsgerechter Darstellung.

Fig. 1 zeigt dabei eine MOSFET-Struktur (S) mit einer soft- recovery-Diode (A) und einer snappigen Diode (B).

Fig. 2 zeigt eine IGBT-Struktur (S) gekoppelt mit den beiden Diodenbereichen (A und B).

Fig. 3 zeigt eine weitere Kombination eines IGBT-Schalters (S) mit den beiden Bereichen der Diode (A und B).

Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stromes in jedem Diodenteilbereich zum Zeitpunkt der Kommutierung.

Alle Figuren haben für gleiche Teilbezirke eine gleiche Bezeich­ nung, um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines MOSFET-Transistors (S) mit in gleicher Technologie beigefügten Dioden. Teilbereich (A) ist als soft-recovery-Diode ausgebildet, wie das in Proceedings PCIM, April 1992, Seite 32, beschrieben wird. Der Teilbereich (B) ist hingegen von konventioneller Struktur. Das Ausgangsmaterial (1) ist n⁺-dotiert. Die Epitaxieschicht (2) besitzt eine n^--Dotierung. Zur Source-Basis-Diffusion (3) werden auch die Fenster für die Anodenseite (3) der soft- recovery-Diode (A) und der snappigen Diode geöffnet. In den nachfolgenden Prozessen für die Source-Nachdiffusion (4), die Phosphor-Diffusion (5) und zur Herausbildung der Gate-Struktur (6, 7) bleibt die Planarstruktur der beiden Diodenbereiche ungeöffnet. Zur Metallisierung (8) werden alle entsprechenden Fenster geöffnet.

Die Metallisierung der Drain-Kontakte (9) erfolgt gemeinsam mit der Metallisierung der Kathodenfläche der Diodenbereiche (A, B) ganzflächig.

Aus schaltungstechnischen Gründen sind in einem Modul jeweils zwei Transistor-Schalter-Chips und dementsprechend zwei Diodenchips. In einer Anordnung bei Nutzung von Chips nach Fig. 1 bis 3 sind diese Dioden in das Transistor-Schalter-Chip integriert, so werden pro Modul nur zwei integrierte Transistor- Dioden-Chips notwendig. Beim Schaltvorgang des Schalters (Bereich S) wirkt die Diode im zweiten Bauelement als Freilaufdiode.

Im folgenden werden die grundsätzlichen Vorgänge bei der Wechselwirkung der beiden Diodenbereiche (A und B) beim Kommutierungsvorgang beschrieben. Bei dem Diodenbereich (A) handelt es sich um eine Diode mit weichem Recovery-Verhalten. Der zweite Diodenbereich (B) ist auf eine niedrige Durchlaßspannung und schnelles Schalten optimiert. Durch diese unterschiedlichen Dimensionierungen teilt sich der elektrische Strom ungleich auf die beiden Diodenbereiche auf.

Der Diodenbereich (A) übernimmt den geringeren Teil des elek­ trischen Stromes und der Diodenbereich (B) den größeren Teil.

Zur Veranschaulichung des entscheidenden Vorganges wird der zeitliche Verlauf der Stromflußänderung zum Zeitpunkt der Kommutierung anhand der Fig. 4 näher erläutert. Zunächst wird der Gesamtstrom in jedem der beiden Diodenbezirke (A und B) kommutiert. Der soft arbeitende Bereich (A) übernimmt den geringeren Stromanteil (Kurvenverlauf 44) und erreicht folglich zuerst den Null-Durchgang (Punkt 48) und folglich auch zunächst den Rückstromwendepunkt zum Zeitpunkt t1 Ab diesem Zeitpunkt wäre dieser Bereich (A) bereit, elektrische Spannung aufzubauen. Im Zeitpunkt t1 ist jedoch der andere Diodenbereich (B) noch vom elektrischen Strom (Kurve 46) der Vorwärtsrichtung durchflossen, was den Spannungsaufbau verhindert.

Ab Erreichen des Rückstromwendepunktes in dem Diodenbereich (A) (ab Zeitpunkt t1) wird nun der Strom in dem Diodenbereich (B) besonders steil kommutiert. Im Zeitpunkt t2 erreicht der Diodenbereich (B) den Rückstromwendepunkt. Danach kann schließlich eine elektrische Spannung aufgebaut werden gegen die kommutiert wird.

Der pn-Übergang des snappigen Diodenbereiches (B) wird während der Zeit zwischen den Rückstromwendepunkten der beiden Diodenbereiche (Zeit zwischen t1 und t2) von elektrischen Überschußladungsträgern ausgeräumt. In dem Diodenbereich (A) geht der Rückstrom um den Betrag zurück, der von dem Diodenbereich (B) übernommen wird. Der Gesamtstrom der beiden Diodenbereiche ist während dieser Zeitspanne durch die äußere Schaltung aufgeprägt.

Im Zeitpunkt (t2) des Erreichens des Rückstromwendepunktes im Diodenbereich (B) ist der pn-Übergang frei von elektrischen Überschußladungsträgern, jetzt erfolgt im snappigen Diodenbereich (B) ein schroffer Rückstromabriß. Das bewirkt jedoch nur eine Verlagerung des elektrischen Stromes in den Diodenbereich (A), der noch genügend Ladungsträger enthält.

Zum Zeitpunkt t3 ist der Diodenbereich (B) bereits ausgeräumt, es tritt keine durch einen Stromabriß erzeugte Überspannung auf, da der Gesamtstrom nicht abreißt. Die ansteigende Spannung bewirkt nun in dem Diodenbereich (A) das Ausräumen der restlichen Ladungsträger, dieser Verlauf bis zum Zeitpunkt t4 ist durch ein weiches Recovery-Verhalten bestimmt.

Aus dieser Darlegung wird ersichtlich, daß die Freilaufdiode (bestehend aus den Teilbereichen A und B) ein weiches Recovery- Verhalten besitzt, wobei jedoch im Vergleich zum Recovery- Verhalten des Diodenbereiches (A) eine wesentlich geringere Sperrverzögerungsladung, ein geringerer Durchlaßspannungsabfall und somit eine niedrigere Verlustleistung gegeben ist.

Erfindungsgemäß ist es also möglich, die Durchlaßverluste und die Schaltverluste zu entkoppeln und diese beiden Parameter voneinander getrennt zu optimieren. Weiterhin sind, wie bereits erwähnt, die Schaltverluste in vorteilhafter Weise wesentlich reduziert.

Fig. 2 veranschaulicht die Integration der Freilaufdiode in eine IGBT-Struktur. Die Emitterseite des IGBT (S), gleichzeitig die Anodenseite der Diodenbereiche (A, B), ist entsprechend der MOS-Struktur in Fig. 1 ausgebildet. Die Kollektorseite des IGBT (S) benötigt eine p-Dotierung (10), wahrend die gleiche Chip-Seite, die Kathode der Diodenbereiche (A und B), vom n⁺- Typ (11) sein muß.

Das Vorteilhafte bei der Kombination nach Fig. 2 ist die technologisch leicht zu realisierende soft-recovery-Struktur nach Proceedings PCIM, April 92, Seite 32. Ebenso kann der Diodenbereich (A) auch in einer anderen Weise zum soften Schaltverhalten optimiert werden, z. B. mittels durchgehender p^-- Zone bei sehr kleiner Eindringtiefe. Die Optimierung erfolgt dann durch gegenseitigem Anpassen der Flächenverhältnisse des Diodenbereiches (A) zu Diodenbereich (B).

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante der Realisierung der Erfindung. Eine nach dem Stand der Technik hergestellte IGBT- Struktur (S) besitzt kollektorseitig eine niedrig dotierte p- Zone (10a). Der Bereich (C) dient der raumlichen Entkoppelung der Diodenbereiche (A, B) von der IGBT-Struktur (S), dadurch werden parasitäre Effekte zwischen Dioden- und IGBT-Strukturen unterdrückt. Zur Verhinderung eines vorzeitigen Sperrspannungs­ durchbruches können die beiden Bauelementeteile mittels zusätzlicher Struktur in diesem Bereich entkoppelt werden, z. B. durch Guard-Ringe (Bereich C auf der Emitterseite).

Der Diodenbereich (A) ist auch hier die soft-recovery-Diode. Das weiche Rückstromverhalten wird hier durch eine niedrige Dotierstoffkonzentration in der Anode (4 im Diodenbereich A) eingestellt, wie das auch in DE 38 23 795 A1 beschrieben ist.

Der Diodenbereich (B) ist auch hier mit snappigem verhalten ausgebildet, er ist auf niedrigen Durchlaßspannungsabfall optimiert. Die p⁺-Dotierung (3 des Diodenbereiches B) ist hier hoch. Die Kathodenseite der beiden Diodenbereiche (A; B) muß vom n-Typ (12) sein. Diese n⁺-Zone kann eine gegenüber der p-Zone (10a) der IGBT-Schalters (S) wesentlich höhere Eindringtiefe aufweisen. In geeigneter Weise kann bei dieser Struktur das Recovery-Verhalten in Teilbereichen optimiert werden.

Bei allen Strukturen nach den Fig. 1 bis 3 sind gezielte und lokale Einstellungen der Trägerlebensdauer möglich, um die Eigenschaften der Schalter (S) und der Diodenbereiche (A und B) zu optimieren.

Die elektrischen Eigenschaften bei der Kommutierung, wie sie im Rahmen der Beschreibung zu Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 4 aufgezeigt wurden, gelten dem Sinn nach auch für die übrigen Konstruktionen der Fig. 2 und 3.

Claims (6)

1. Leistungs-Halbleiterbauelement aus mindestens einem mehrere pn-Übergänge beinhaltenden Halbleiterkörper, bestehend aus mindestens einem Leistungsschalter und aus mindestens einer Freilaufdiode mit weichem Recovery-Verhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mindestens einen Leistungsschalter (Teilbereich S) und mindestens eine Freilaufdiode mit in sich zwei Diodenteilbereichen beinhaltet, wovon der eine Diodenteilbereich (Teilbereich A) in seinen Eigenschaften eine durch eine Folge von p- Zonen und Schottky-Übergängen vollständig ausgebildete und auf ein weiches Recovery Verhalten ausgelegte Diode (soft-recovery-Diode) ist und der andere Diodenbereich (Teilbereich B) in seinen Eigenschaften als vollständig ausgebildete Diode mit niedriger Durchlaßspannung ausgelegt ist und ein hartes Schaltverhalten bei der Kommutierung besitzt.

2. Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsschalter ein Bipolar- Transistor, ist.

3. Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsschalter eine MOS-Struktur besitzt.

4. Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsschalter eine IGBT Struktur besitzt.

5. Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet, daß der IGBT-Leistungsschalter (Teilbereich S) eine Vershortung auf der Anodenseite aufweist.

6. Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsschalter mit Guard-Ringen (Teilbereich C) ausgebildet ist.