DE10048857A1 - Halbleiterbauelement mit gesteuertem Emitterwirkungsgrad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein bipolares Halbleiterleistungsbauelement mit mindestens einer als Emitter wirksamen Schicht, dessen Gesamtverluste verringert werden sollen. In diese Emitterschicht (21, 22) ist zu diesem Zweck eine weitere Halbleiterschicht (7) vom entgegengesetzten Dotierungstyp eingebracht, welche durch ein Schaltelement (S) mit der Emitterschicht (21, 22) galvanisch verbunden werden kann, so daß die in die Emitterschicht eindringenden Minoritätsladungsträger abgeleitet werden. Alternativ wird dies durch den Inversionskanal einer MOS-Struktur bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft bipolare Halbleiterbauelemente, und zwar bevorzugt Leistungs­ bauelemente mit Schichten, in welchen die Leitfähigkeit durch eine Überschwemmung mit Elektron-Loch-Plasma erhöht ist.

Solche Bauelemente besitzen stets mindestens eine Schicht mit relativ hoher Leitfähig­ keits-Dotierungskonzentration, welche als Emitter bezeichnet wird. Häufig ist eine zweite Schicht hoher Leitfähigkeits-Dotierungskonzentration vorhanden, die den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat und ebenfalls als Emitter bezeichnet wird.

Die Besonderheit dieser Emitterschichten besteht darin, daß beim Stromfluß zur benach­ barten, schwächer dotierten Schicht überwiegend diejenigen Ladungsträger beteiligt sind, die in der Emitterschicht die Majoritätsladungsträger bilden. Es gibt in der Literatur ver­ schiedene Vorschläge, die Wirksamkeit von Emitterschichten quantitativ zu charakterisieren. Jedenfalls wird ein Emitter dann als "guter Emitter" bezeichnet, wenn der in den Emitter einfließende Minoritätsträgerstrom möglichst gering ist.

Während bei Bipolartransistoren der Emitter fast immer in diesem Sinne möglichst "gut" sein soll, ist dies allgemein bei Leistungsbauelementen keineswegs der Fall. Bauelemente, de­ ren Durchlaßeigenschaften durch Leitfähigkeitsmodulation, also durch Überschwemmung der schwach dotierten Schichten mit Elektron-Loch-Plasma, verbessert wird, haben wegen dieses Plasmas im allgemeinen auch hohe Schaltverluste. Außerdem gibt es dadurch schwerwiegende Begrenzungen des sicheren Arbeitsbereiches. Man versucht daher, die Plasmakonzentration auf einen optimalen Wert zu begrenzen und außerdem den Konzentrationsverlauf möglichst günstig einzustellen. Günstig ist meist ein leichter Abfall der Konzentration zum p-dotierten Emitterbereich, mindestens soll aber ein starker Anstieg zu diesem Emitter vermieden wer­ den.

Daraus ergibt sich, daß es vorteilhaft ist, entweder in einer Schicht am Emitter (meist Löcher-Emitter) die Rekombinationsrate hoch zu setzen, also den Emitter weniger "gut" zu machen. Dann leiden zwar wegen der verringerten Plasmaüberschwemmung die Durchlaß­ eigenschaften, aber besonders bei Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen überwiegt der Vorteil verringerter Schaltverluste.

In vielen Anwendungsfeldern wäre ein besonders günstiges Bauelementeverhalten erziel­ bar, wenn man die Emittereigenschaften steuern könnte. Dann könnte man während der Stromführungsphase die Überschwemmung möglichst hoch halten und geringe Durchlaßver­ luste erzielen. Kurz vor dem Abschalten oder während des Abschaltens würde dann das Bauelement so umgesteuert, daß den Minoritätsladungsträgern ein Abfluß ermöglicht wird.

Es sind nun einige Anordnungen bekannt, welche dies ermöglichen. Dabei wird die ei­ gentliche Emitterschicht in ihrer Wirksamkeit nicht geändert, aber es befindet sich in der Nachbarschaft zu diesem Emitter ein Nebenschluß (oder eine Vielzahl von Nebenschlüssen), welche den Abfluß von Minoritätsträgern ermöglichen und die im Bedarfsfall zugeschaltet werden.

Solche Anwendungen sind einerseits bei Transistoren vom Typ des "Isolated Gate Bipolar Transistors" bekannt: Plikat, R.; Xu, S., Silber, D., Comparison of Different Switched An­ ode Emitter Short Concepts for IGBTs, International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, pp. 257-260, 1998, bei welchen durch anodenseitig angeordnete Emitter­ nebenschlüsse reduzierte Abschaltverluste erzielt werden. Sie sind auch bei Leistungsdioden bekannt, wobei Bauelemente vom Typ des vertikaler Leistungs-MOSFETs als Dioden wirken, bei welchen der n-Kanal einen Abfluß der Elektronen ermöglicht: Xu, Z.; Zhang, B.; Huang, A. Q., Experimental Demonstration of the MOS Controlled Diode (MCD), 15th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference an Exposition 2000 pp. 1144-1148, 2000.

Insbesondere bei der Anwendung als Diode zeigt sich aber ein wesentlicher Nachteil die­ ser Anordnung. Solange der Nebenschluß aktiviert ist, ist die Diode nicht sperrfähig. Daher muß der Nebenschluß sehr präzise beim Nulldurchgang des Stromes wieder deaktiviert wer­ den, weil sonst ein Kurzschluß eintreten würde. Da aber die auftretenden Sperrverzugszei­ ten nicht präzise bekannt sind, läßt sich dies nur sehr unvollkommen erreichen. Vorteilhaft wäre eine Struktur, die auch bei einer gesteuerten Reduktion des Emitterwirkungsgrades die Sperrfähigkeit des Emitters erhält.

Es ist auch eine Diodenstruktur bekannt, mit der dieses Ziel im Prinzip erreicht werden kann: Kumagai, N.; Yamazaki, T., Injection Controllable Schottky Barrier (ICOS) Rectifier, 5th International Symposium on Power Semiconductors and ICs, 1993. Bei dieser Diode wird einer Metall-Halbleiter-Gleichrichterstruktur eine zusätzlich injizierende Diode über einen integrierten p-Kanal-Transistorstruktur zugeschaltet. Das Bauelement kann dann im so Bedarfsfall bei hohen Strömen vom unipolaren, in den bipolaren Betriebsfall geschaltet wer­ den und vor dem Abkommutieren auch wieder in den unipolaren Zustand zurück, ohne daß die Struktur ihre Sperrfähigkeit einbüßt.

Als Nachteil dieser Struktur wirkt sich die Anbindung des injizierenden Emitters über ei­ ne Feldeffekttransistorstruktur, im vorliegenden Fall sogar eine p-Kanal-Struktur mit relativ hohem Kanalwiderstand, aus. Daher ist dieses Konzept in erster Linie für Bauelemente mit niedriger bis mittlerer Sperrfähigkeit geeignet. Für hohe Sperrfähigkeit, bei denen im Durch­ laßzustand eine hohe Plasmakonzentration notwendig ist, ist das Konzept nicht geeignet.

Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist es, eine im weiten Bereich steuerbare Emit­ terwirksamkeit zu erzielen, bei welcher einerseits der Emitterübergang stets sperrfähig bleibt, andererseits aber die Einschränkungen des vorher genannten Bauelementes vermieden wer­ den.

Anhand der Zeichnungen werden die Problemstellung und die Funktion beschrieben: Fig. 1 zeigt schematisch die Struktur einer Leistungsdiode (1) mit den drei wesentlichen Halb­ leiterschichten: der p-Emitterschicht (2), der spannungsaufnehmenden, schwach n^--dotierten Basisschicht (3) sowie der n⁺-Emitterschicht (4). Außerdem sind die beiden Kontaktmetal­ lisierungen (5) und (6) eingezeichnet. In Fig. 2a ist der Stromverlauf in der Diode dar­ gestellt, wie er bei Anwendungen als Freilaufdiode in typischen Stromrichterschaltungen auftritt. Man erkennt die sehr hohe Rückstromspitze, die bei steilen Schaltflanken in ihrer Höhe den Durchlaßstrom weit überschreiten kann. Fig. 2b zeigt den Verlauf der Elektron- Loch-Plasmakonzentration während des Durchlaßzustandes und beim Abkommutieren des Laststromes, wie er in nicht optimierten Freilaufdioden auftreten würde. Die Konzentrations­ verläufe sind nach Zeitpunkten geordnet, dabei entspricht der Zeitpunkt t(0) dem Beginn des Abschaltens. Die Fig. 3a, b entsprechen denjenigen von 2a, b und veranschaulichen die reduzierten Plasmakonzentrationen, den andersartigen Konzentrationsverlauf des Plasmas im stationären Fall sowie die verringerte Rückstromspitze, die bei reduzierter Wirksamkeit des Emitters auftritt. Dabei ist es für dieses unterschiedliche Verhalten im Prinzip belanglos, ob die Reduktion des Emitterwirkungsgrades durch Rekombination der Elektronen in der Emitterschicht am pn-Übergang oder an der Kontaktfläche erreicht wird. Nachteilig ist aber bei solchen Dioden die erheblich verschlechterte Durchlaßspannung.

Die bereits bekannte Struktur zur Steuerung der Ladungsträgerkonzentration über einen gesteuerten Emitternebenschluß ist in Fig. 4 dargestellt. Sie enthält eine Gate-Oxidschicht (8) sowie eine Gate-Elektrode (9). Daraus ergibt sich ein als Schalter (S) wirksamer MOS- Feldeffekttransistor, der in verschiedenen Betriebsbereichen der Diode offen oder ge­ schlossen sein muß.

In Fig. 5 ist dargestellt, wie dies bei Anwendung dieses Bauelementes als Hochspannungs­ diode geschieht. Während der Stromflußzeit ist der Schalter (S) zunächst geöffnet (Zeitraum t_F),
weil dadurch die Diode eine hohe Plasmakonzentration aufbaut. Vor dem Abkommutie­ rungszeitpunkt t_K muß zu einem Zeitpunkt t_S1 der Schalter (S) geschlossen werden, damit die Plasmakonzentration ausreichend absinkt.

Es ist bei der Anwendung dieses Prinzips notwendig, den Schalter sehr präzise beim Nulldurchgang t_N des Stromes wieder zu öffnen (t_S2). Bei einem zu frühen Öffnen würde die Plasmakonzentration wieder aufgebaut werden, bei verspätetem Öffnen ist das gesamte Bauelement zunächst nicht sperrfähig. Daher ist eine sehr präzise Erfassung des Strom- Nulldurchganges erforderlich, welche in der Praxis zu erheblichem Aufwand führt.

Gegenstand der Erfindung ist es, statt eines Emitternebenschlusses die Emitterwirksam­ keit zu schalten. Die Diode soll durch ein Schaltelement (S) von einem Zustand mit hoher Plasmaüberschwemmung in einen Zustand niedriger Plasmaüberschwemmung gebracht wer­ den. Zur Veranschaulichung dieser Zustände können die in den Fig. 2b und 3b dargestellten Plamakonzentrationsverläufe dienen.

Die Anforderung, daß der Nulldurchgang des Stromes erfaßt werden muß, entfällt, denn das Bauelement bleibt in jedem Zustand des Schalters (S) sperrfähig.

In Fig. 6 ist veranschaulicht wie dies prinzipiell erreicht wird. Die p-Emitterschicht (2) enthält an der Oberfläche teilweise eine zusätliche n-Emitterschicht (7), die durch eine Me­ tallisierung (51) getrennt kontaktiert ist. Durch ein steuerbares Schalterelement (S) können die beiden Metallisierungsschichten (5) und (51) galvanisch verbunden werden. Der Innen­ widerstand des Schaltelementes (S) ist durch R_iS veranschaulicht. Die Schicht (2) besteht jetzt aus einem Anteil (21) unterhalb der eingebrachten n-Schicht (7) und einem Anteil (22). Die Schicht (21) wird in ihrer Schichtdicke und/oder in ihrer Konzentration abgesenkt.

Der Schalter (S) bleibt während der Durchlaßphase der Diode offen. Die elektronenab­ saugende Wirkung der Schicht (7) ist daher unterdrückt.

Durch die Steuereinheit des Systems wird zu einer angemessenen Zeit vor dem Beginn des Abkommutierungsvorganges der Schalter (S) geschlossen. Die in den Emitter eindringen­ den Minoritätsladungsträger (Elektronen) werden an Übergang zur Schicht (7) abgesaugt. Dadurch stellen sich eine reduzierte Plasmakonzentration sowie ein günstiger Konzentrati­ onsverlauf ein. Die Sperrfähigkeit des Emitterüberganges wird nicht beeinträchtigt.

Der Schalter (S) wird daher nach dem Strom-Nulldurchgang erst in der Sperrphase geöff­ net (t_S2) (Fig. 7). Es gibt also keine Anforderungen mehr an eine präzise Triggerung in Nulldurchganges des Stromes.

Das Einfügen der Schicht (7) erzeugt einen parasitären npn-Transistor, der im Prinzip eine unerwünschte Elektroneninjektion und dadurch eine erhöhung der Rückstromspitze ver­ ursachen könnte. Bei einer genügend schmalen Auslegung dieser Schicht ist der durch die abfließenden Löcher laterale Spannungsabfall so gering, dass eine derartige Injektion unter­ bleibt. In Fig. 8 ist der schädliche parasitäre Transistor T_R symbolisch dargestellt. Außdem ist schematisch ein Kondensator C_S dargestellt, dessen Ladung die schädliche Rückstrom­ spitze verursacht. Diese Darstellung der Speicherladungseffekte ist extrem vereinfacht, für eine prinzipielle Veranschaulichung aber ausreichend. Die schädliche Aufsteuerung des Tran­ sitors erfolgt durch den Spannungabfall am lateralen Widerstand R_S der Schicht (21). Soll­ te bei extremen Belastungen der parasitäre Transistor doch wirksam werden, kann seine Verstärkungswirkung durch den Schalterinnenwiderstand R_iS auf unschädliche Werte be­ grenzt werden. In dem oben beschriebenen Zustand wirkt nämlich die eingefügte Schicht (7) als Emitter des parasitären Transistors, und der Schalterinnenwiderstand kann als Gegen­ kopplungswiderstand die Verstärkung dieses Transistors stark herabsetzen.

Der Schalter (S) kann am einfachsten als Feldeffektransistor ausgeführt sein, aber auch als Bipolartransistor, der durch ausreichend hohe Ansteuerung in den Sättigungszustand getrieben ist.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Struktur, bei der die Schicht (7) als n-Implantationsschicht in einen schwächer dotierten Teilbereich (21) der Anodene­ mitterschicht (2) eingebracht ist. Das geschaltete Element (S) ist als Feldeffekttransistor in den stärker dotierten Teilbereich (22) eingebracht, und die Fortsetzung der Schicht (7) in diesem Teilbereich (22) ist die Source-Schicht eines Feldeffektransistors (8) (oder schließt an eine solche an). Eingezeichnet sind auch das Gate-Oxid (8) und die Gateelektrode (9) des integrierten Feldeffekttransistors. In der Schicht (22) ist, auch die Drain-Schicht (71) eingebracht. Der für die Funktion des Transistors wirksame Kanal ist mit (72) dargestellt.

Es ist für die Funktion der Schicht (7) nicht notwendig, daß sie durch eine n-dotierte Schicht aus monokristallinem Silizium dargestellt wird. Auch polykristalline oder amorphe Halbleiterschichten können eingesetzt werden. Es wäre auch vorteilhaft, wenn die Schicht (7) einen reduzierten Bandabstand hätte, also beispielsweise Silizium mit einem zusätzlichen Germaniumgehalt. Auf diese Weise wird nämlich eine mögliche schädliche Wirksamkeit als Emitter verringert, Noch günstiger ist eine Schicht, die mit dem p-Material im Bereich (21) eine Schottkydiode bildet (Fig. 9). Besser als Metallschichten sind dafür Silizidschichten geeignet, weil sie der Siliziumtechnologie angepaßt sind.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist die n-Schicht (7) völlig durch einen Inversionskanal ersetzt, (73).

Für die erfindungsgemäße Wirkung, also die gesteuerte Herabsetzung des Emitterwir­ kungsgrades ohne Verlust der Sperrfähigkeit, darf die in den Beispielen durchgängig gezeich­ nete Schicht (21) sogar unterbrochen werden, wenn diese Unterbrechungen so schmal sind, daß sich die in die n^- Schicht (3) eindringenden Raumladungszonen noch näherungsswei­ se berühren Fig. 11. Die Dimensionierung ist ähnlich zu wählen wie bei den bekannten "normally-off"-FCT beziehungsweise SIT-Transistoren. Eine solche unterbrochene Schicht läßt eine besonders starke gesteuerte Absenkung der Plasmakonzentration zu.

Wenn bei einer solchen strukturierten Schicht (21) die Schicht (7) aus einem Material gebildet wird, das mit der schwach dotierten Schicht (3) im Bereich (31) einen Schottky­ kontakt bildet, entsteht ein als "merged-rectifier" gestalteter Teil, mit dem sich der erfin­ dungsgemäße Vorteil besonders ausgeprägt verwirklichen läßt (Fig. 12). Im Gegensatz zu dem früher erwähnten Bauelement (Kumagai, N.; Yamazaki, T., . . .) wird eine sehr hohe Plasmakonzentration erreicht, so daß das Bauelement für hohe Sperrfähigkeiten geeignet ist.

Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz bei Dioden beschränkt. Sie kann auch beispiels­ weise für den pnp-Transistorteil des IGBT angewendet werden, insbesondere, wenn stets eine Rückwärtssperrfähigkeit gewährleistet sein soll.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme ist in den vorliegenden Beispielen an p-Emittern veranschaulicht. Im Prinzip ist auch eine Steuerung der Wirksamkeit von n-Emittern in komplementärer Technologie möglich.

Claims (11)

1. Halbleiterbauelement (1) bestehend aus Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeits­ typs und mindestens einer als Emitter wirksamen Schicht (2), wobei in diese Emitter­ schicht eine Schicht (7) eingebracht ist, die entweder den entgegengesetzten Leitfähig­ keitstyp besitzt oder mit der Emitterschicht (2) einen Übergang nach Art einer Metall- Halbleiter-Diode bildet, welche durch die Feldstärke im Übergang zwischen den beiden Schichten (2) und (7) Minoritätsladungsträger aus der Emitterschicht absaugt und bei leitender Verbindung mit dieser die Wirksamkeit des Emitters herabsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Steuerelement (S) eine leitfähige Verbindung zwischen diesen beiden Schichten auf oder abgebaut werden kann.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer­ element eine in die Emitterschicht (2) monolithisch integrierte MOS-Feldeffekttransis­ torstruktur ist.

3. Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs (1), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in die Emitterschicht (2) eingebrachte Schicht (7) ein oberflächen­ naher Kanal entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ist, welcher durch die Wirkung ei­ ner Metall-Oxid-Halbleiterstruktur über eine Gate-Elektrode erzeugt oder unterdrückt werden kann.

4. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen (1), (2) oder (3), dadurch gekennzeich­ net, daß die zum Absaugen der Minoritätsträger in den Emitter eingebrachte Schicht (7) so in diesen Emitter eingebettet ist, daß keinerlei direkte Übergänge zu weiteren Halbleiterschichten bestehen, die einen zur Emitterschicht entgegengesetzten Dotie­ rungstyp besitzen.

5. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen (1), (2) oder (3), dadurch gekennzeich­ net, daß die Emitterschicht in so engen Bereichen unterbrochen ist, daß sie nach Art der bekannten selbstsperrenden Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren trotz der Ausbildung einer Schicht (7) ihre Sperrfähigkeit zu benachbarten Schichten nicht verliert.

6. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen (1), (2) oder (3), dadurch gekennzeich­ net, daß die eingebrachte Schicht (7) nur in Teilbereichen kontaktiert ist und, daß ihr spezifischer Flächenwiderstand über demjenigen anschließenden Emitterbereich (2) liegt oder ihn um höchstens eine Zehnerpotenz unterschreitet.

7. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen (1) oder (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S) im geschlossenen Zustand einen derart hohen mittleren Durchlaß­ widerstand besitzt, daß bei einer Betriebsweise, in der die Schicht (7) die Funktion eines parasitären bipolaren Transistors hat, die Stromverstärkung dieses parasitären Transistors auf einen Wert unter β = 3 begrenzt wird.

8. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen (1), (2) oder (3), dadurch gekennzeich­ net, daß die in die Emitterschicht (2) eingebrachte Schicht (7) eine Schicht mit gerin­ gerem Bandabstand ist.

9. Silizium-Halbleiterbauelement nach Ansprüchen (1) oder (2), dadurch gekennzeich­ net, daß die in die Emitterschicht (2) zusätzlich eingebrachte Schicht (7) aus einer Metall-Silizid-Verbindung besteht.

10. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen (1) oder (2), dadurch gekennzeichnet, daß die in die Emitterschicht (2) zusätzlich eingebrachte Schicht (7) eine polykristalline oder amorphe Halbleiterschicht ist.

11. Verwendung des Halbleiterbauelements nach Ansprüchen (1), (2) oder (3) als Diode oder in ein Halbleiterbauelement eingebrachte Diodenstruktur, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem zeitlichen Übergang der Diode vom Durchlaß- in den Sperrzustand oder während dieses Überganges die leitfähige Verbindung zwischen den beiden Schich­ ten (2) und (7) hergestellt oder verstärkt wird.