DE102005046707B3

DE102005046707B3 - SiC-PN-Leistungsdiode

Info

Publication number: DE102005046707B3
Application number: DE102005046707A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Friedrichs; Dethard Dr. Peters; Reinhold Dr. Schörner; Dietrich Dr. Stephani
Original assignee: SiCED Electronics Development GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: KR20080070638A; WO2007036456A3; EP1946377A2; US7646026B2; WO2007036456A2; US20080217627A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine integrierte vertikale SiC-PN-Leistungsdiode, mit einem hochdotierten ausgebildeten SiC-Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, mit einer niedrig dotierten Driftzone des ersten Leitfähigkeitstyps, die emitterseitig über dem Halbleiterkörper angeordnet ist, mit einer Emitterzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf die Driftzone aufgebracht ist, und mit zumindest einer innerhalb der Driftzone angeordneten dünnen Zwischenschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine gegenüber der Driftzone höhere Dotierungskonzentration aufweist und die die Driftzone zumindest in eine erste anodenseitige Driftzonenschicht und zumindest in eine zweite katodenseitige Driftzonenschicht unterteilt. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung mit solchen SiC-PN-Leistungsdioden.

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte vertikale Siliziumcarbid PN-Leistungsdiode sowie eine Schaltungsanordnung mit solchen Leistungsdioden.
Heutige Halbleiter-Bauelemente werden vorwiegend aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder auch aus Gallium-Arsenid (GaAs) und Gallium-Phosphit (Ga₃P₄) erzeugt, die allerdings eine geringe thermische, chemische und physikalische Stabilität aufweisen.
Siliziumcarbid (SiC) ist hingegen ein Halbleitermaterial, das insbesondere aufgrund seines Wurtzite- bzw. Zinkblendekristallgitters eine physikalisch hochstabile Kristallstruktur aufweist. Je nach Polytyp weisen SiC-Einkristalle einen großen energetischen Bandabstand von 2,2 eV bis 3,3 eV auf, wodurch sie thermisch und insbesondere mechanisch besonders stabil und widerstandsfähig gegen Strahlenschäden sind. Dies macht SiC sehr attraktiv für solche Halbleiterbauelemente, die extremen Temperaturen, Betriebs- und Umweltbedingungen ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise in der Automobil- und Bahntechnik herrschen. Auf SiC basierende Halbleiter-Bauelemente sind in der Lage, in einem großen Spannungs- und Temperaturintervall, zum Beispiel bis zu 650 C bis 800° C, zu arbeiten, weisen sehr gute Schalt-Eigenschaften und geringe Verluste auf und lassen sich zudem bei sehr hohen Arbeitsfrequenzen betreiben. Im Vergleich zu Silizium weist SiC aufgrund der besseren Material-Eigenschaften ein stärkeres Durchbruchsfeld (bis zu 10 mal höher als bei Silizium), eine höhere Wärmeleitfähigkeit (mehr als 3 mal höher als bei Silizium) und eine größere Energiebandlücke (2,9 eV für 6H-SiC) auf.
SiC eignet sich vor allem für Leistungs-Bauelemente mit sehr hoher Sperrspannung (600V bis einige kV), wie zum Beispiel Hochspannungs(schalt-)dioden und Feldeffekttransistoren. Derartige SiC-Halbleiter-Bauelemente sind zum Beispiel in Umrichtern für elektrische Antriebe, in Schaltnetzteilen oder in unterbrechungsfreien Stromversorgungen einsetzbar. Der Einsatz höherer Betriebsspannungen hat meist den Zweck, größere elektrische Leistungen (im Bereich von einigen Kilowatt) bei gleichem Strom umsetzen zu können.
Da die SiC-Halbleitertechnologie noch relativ jung und in vieler Hinsicht noch nicht optimiert ist, existieren eine Reihe von Problemen bei der Herstellung von SiC basierten Halbleiter-Bauelementen, die noch zu lösen sind, bis SiC-Bauelemente in vielen Bauelementvarianten und in großen Stückzahlen Realität werden können. Dies liegt insbesondere darin, da für die Herstellung von SiC-Bauelementen nicht ohne weiteres die gleichen Verfahren angewendet werden können, die auch bei Silizium-Bauelemente angewendet werden. So ist zum Beispiel die Dotierung durch Diffusion bei SiC quasi nicht realisierbar. Weiterhin ist die elektrische Aktivierung der bei der Ionenimplantation eingebrachten Dotieratome bei SiC relativ schwer zu beherrschen. Aus den genannten Gründen wird derzeit SiC vorzugsweise für technologisch relativ einfach herstellbare Halbleiter-Bauelemente, wie z. B. Schottky-Dioden, PN-Dioden und Feldeffekt-Transistoren, eingesetzt.

1 der Zeichnung zeigt anhand eines schematischen Teilschnittes den Aufbau einer beispielsweise aus der WO 03/038876 A1 (siehe insbesondere deren 3) bekannten SiC-Leistungsdiode zur Erläuterung der allgemeinen Problematik. Die mit Bezugszeichen 1 bezeichnete SiC-Leistungsdiode enthält ein stark N-dotiertes SiC-Halbleitersubstrat, welches zum Beispiel Bestandteil eines SiC-Halbleiter-Wafers ist. Das Halbleitersubstrat 2 ist rückseitig mit einem Kathodenanschluss K verbunden. Auf der Vorderseite des SiC-Halbleitersubstrats 2 sind nacheinander eine N-dotierte Pufferschicht 3, eine schwach N-dotierte Driftzone 4 und eine stark P-dotierte Emitterzone 5, die an der Vorderseite mit einem Anodenanschluss A verbunden ist, aufgebracht. Die Dicke der Driftzone 4 sowie deren Dotierungskonzentration bestimmt im Wesentlichen die Sperreigenschaften der Leistungsdiode 1.

1a zeigt in idealisierter Form die Strom-/Spannungs-Kennlinie der SiC-Leistungsdiode aus 1 in Abhängigkeit von der Temperatur T, wobei auf der Abszisse die Flussspannung UF und auf der Ordinate der dabei fließende Strom I angegeben ist. Mit KP ist er Kreuzungspunkt der beiden Diodenkennlinien bei hohen Strömen bzw. hohen Flussspannungen bezeichnet. Der üblicherweise verwendete Arbeitspunkt einer SiC-Leistungsdiode befindet sich typischerweise unterhalb des Kreuzungspunktes KP der Diodenkennlinien.

In 1a zeigt sich, dass die Flussspannung UF mit wachsender Temperatur T bei einem vorgegebenen, eingeprägten Strom I sinkt. Bei einer vorgegebenen, aufgeprägten Flussspannung UF steigt der Diodenstrom I mit wachsender Temperatur T. Dieses Phänomen bezeichnet man auch als negativen Temperaturkoeffizienten (du/dt < 0) bei konstantem Strom. Üblicherweise verwendete Dioden, beispielsweise Silizium-Dioden, weisen demgegenüber einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, bei dem die Flussspannung UF bei konstantem Diodenstrom I mit wachsender Temperatur T gleichfalls zunimmt.

Das Phänomen des negativen Temperaturkoeffizienten ist einerseits mit einer bei wachsender Temperatur ansteigenden Minoritätsladungsträger-Lebensdauer begründet. Zusätzlich oder alternativ ist dieses Phänomen auch durch einen mit wachsender Temperatur sinkenden Kontaktwiderstand zwischen der Anoden-Metallisierung und der stark P-dotierten Emitterzone begründet.

Das eben anhand der 1a beschriebene Phänomen bei einer SiC-Leistungsdiode, also das Vorhandensein eines negativen Temperaturkoeffizienten, ist insbesondere bei einer Parallelschaltung mehrerer SiC-Leistungsdioden unerwünscht bzw. sogar schädlich, da aufgrund technologiebedingter Unterschiede der verschiedenen Leistungsdioden eine gleichmäßige Aufteilung des Gesamtstromes auf die verschiedenen Leistungsdioden der Parallelschaltung typischerweise nicht mehr gewährleistet werden kann. In der Folge übernimmt daher typischerweise eine der Leistungsdioden der Parallelschaltung einen höheren Diodenstrom als die übrigen Leistungsdioden, was unmittelbar dazu führt, dass sich diese Leistungsdiode stärker erwärmt als die übrigen Leistungsdioden. Aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten bewirkt dies wiederum, dass der Strom durch eben diese Leistungsdiode Kennlinien-bedingt zusätzlich ansteigt, was zu einer weiteren Erwärmung dieser Leistungsdiode führt.

Letzteres Phänomen führt typischerweise schnell zum Ausfall dieser Leistungsdiode und somit auch der gesamten Diodenparallelschaltung. Dies ist ein Zustand, den es verständlicherweise zu vermeiden gilt.

Aus der DE 102 07 522 A1 ist eine vertikale Si-PIN-Diode bekannt, deren zwischen einer anodenseitigen, p⁺-dotierten Ermitterschicht und einem n⁺-dotierten Si-Substrat angeordnete Driftzone aus drei, jeweils n-dotierten Si-Schichten besteht. Die Dicken der anodenseitigen Driftzonenschicht und der die anodenseitigen Driftzonenschicht von der kathodenseitigen Driftzonenschicht trennenden Pufferschicht sind hierbei derart aufeinander abgestimmt, dass das Sperrverhalten der Si-PIN-Diode verbessert und gleichzeitig auch die Schaltverluste der Diode verringert und deren Schaltgeschwindigkeit erhöht werden.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte SiC-Leistungsdiode bereit zu stellen, die insbesondere eine hinsichtlich ihrer Strom-/Spannungs-Kennlinie verbesserte thermische Abhängigkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, bei einer im Bereich des Arbeitspunktes betriebenen SiC-Leistungsdiode den negativen Temperaturkoeffizienten entgegen zu wirken.

Erfindungsgemäß wird zumindest eine der obigen Aufgaben durch eine Leistungsdiode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist gemäß Patentanspruch 1 eine integrierte vertikale SiC-PN-Leistungsdiode,

– mit einem hochdotierten SiC-Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps,
– mit einer niedrig dotierten Driftzone des ersten Leitfähigkeitstyps, die emitterseitig über dem Halbleiterkörper angeordnet ist,
– mit einer Emitterzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Driftzone aufgebracht ist,

mit zumindest einer innerhalb der Driftzone angeordneten dünnen Zwischenschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine gegenüber der Driftzone höhere Dotierungskonzentration aufweist und die Driftzone zumindest in eine erste anodenseitige Driftzonenschicht und zumindest in eine zweite katodenseitige Driftzonenschicht unterteilt.

Gemäß Patentanspruch 14 ist weiterhin Gegenstand der Erfindung eine Schaltungsanordnung, insbesondere leistungselektronische Baugruppe,

– mit einem gemeinsamen Anodenanschluss,
– mit einem gemeinsamen Katodenanschluss und
– mit einer Vielzahl von einzelnen integrierten vertikalen SiC-PN-Leistungsdioden, die bezüglich der Strom führenden Pfade parallel zueinander und zwischen dem Anodenanschluss und dem Katodenanschluss angeordnet sind.

Die technische Lehre der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, im Bereich der Driftzone zumindest eine Zwischenschicht desselben Leitfähigkeitstyps wie in der Driftzone anzuordnen, die zumindest eine signifikant höhere Dotierungskonzentration als die Driftzone aufweist.

Mittels der innerhalb der Driftzone angeordneten Zwischenschicht wird die Driftzone zumindest in zwei Teilbereiche unterteilt. Der anodenseitige Teil der Driftzone (erste Driftzonenschicht) dient der Ausbildung einer Raumladungszone, welche sich bei Anlegen einer Sperrspannung an den PN-Übergang zwischen Emitterzone und Driftzone ausbildet. Idealerweise reicht diese Raumladungszone Driftzonen-seitig bis unmittelbar vor die Zwischenschicht, jedoch möglichst nicht in die Zwischenschicht bzw. der darunter liegenden zweiten Driftzonenschicht hinein. Der kathodenseitige Teil der Driftzone (zweite Driftzonenschicht) fungiert als temperaturabhängiger Widerstand, der mit steigender Temperatur ebenfalls zunimmt und der gewissermaßen in Reihe zu dem PN-Übergang und somit der Diode zwischen Emitterschicht und Driftzone angeordnet ist. Der Widerstand in der zweiten Driftzonenschicht steigt mit wachsender Temperatur, wodurch bei konstanter Flussspannung in gleicher Weise der durch diese Schicht fließende Strom sinkt. Auf diese Weise kann dem eingangs beschriebenen Problem des negativen Temperaturkoeffizienten bei konstantem Diodenstrom entgegengewirkt werden. Bei geeigneter Dimensionierung der Dicke der ersten und zweiten Driftzonenschichten lassen sich, wie nachfolgend noch ausführlich dargelegt wird, vorteilhafterweise PN-Leistungsdioden bereit stellen, die ähnlich wie bei Silizium einen positiven Gesamt-Temperaturkoeffizienten oder zumindest einen nur schwach negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen.

Wesentlich bei der Dimensionierung der innerhalb der Driftzone angeordneten Zwischenschicht ist, dass diese die Sperreigenschaften der Leistungsdiode und damit die sich von dem PN-Übergang ausbreitende Raumladungszone nicht zu stark beeinflusst. Andererseits soll diese Zwischenschicht bzw. die dort eingebauten Ladungsträger den sich durch die Driftzone ergebenden Widerstand möglichst kompensieren. Diese gewissermaßen gegensätzlichen Forderungen werden typischerweise durch einen Kompromiss bei der Dimensionierung der Dotierungskonzentrationen und der Schichtdicken der Zwischenschicht und der Driftzonenschichten optimiert. Im Allgemeinen gilt dabei, dass die Zwischenschicht innerhalb der Driftzone so angeordnet ist, dass im Vorwärtsbetrieb der PN-Leistungsdiode die bipolare Modulation der Driftzone möglichst nicht oder zumindest vernachlässigbar gering beeinträchtigt wird und dass gleichzeitig die Sperreigenschaften der PN-Leistungsdiode möglichst nicht oder zumindest nur gering beeinträchtigt werden.

Mehrere Leistungsdioden lassen sich nun auch in Parallelschaltungen verwenden, ohne dass die Gefahr besteht, dass eine dieser Leistungsdiode und in der Folge dann auch die gesamte Leistungsdioden-Parallelschaltung ausfällt. Der besondere Vorteil liegt darin, dass SiC-Leistungsdioden, die an sich eine sehr hohe Spannungsfestigkeit aufweisen, durch Pa rallelschaltung nun auch für sehr hohe Ströme eingesetzt werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung.

In einer ersten, sehr vorteilhaften Ausgestaltung ist (zumindest) eine einzige, lateral durch die gesamte Driftzone durchgehende Zwischenschicht vorgesehen. Diese Zwischenschicht trennt somit die Driftzone in die erste und zweite Driftzonenschicht, welche somit durch die Zwischenschicht voneinander beabstandet sind.

In einer dazu alternativen, jedoch ebenfalls sehr vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zwischenschicht als lateral durch die gesamte Driftzone durchgehende, gitterförmige Schichtstruktur ausgebildet. Die gitterförmige Zwischenschicht ist hier zusammenhängend, jedoch sind die erste und zweite Driftzonenschicht nicht voneinander durch die Zwischenschicht getrennt, sondern sind vielmehr miteinander über die Löcher in den Gitterstrukturen miteinander verbunden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist eine Vielzahl voneinander lateral beabstandeter und vertikal in etwa dergleichen Tiefe angeordneter, inselförmiger Zwischenschichten in der Driftzone vorgesehen. Mittels einer solchen inselförmigen Zwischenschichtstruktur lässt sich der bereits oben beschriebene, positive Gesamt-Temperaturkoeffizient der SiC-Leistungsdiode einfacher realisieren, als bei einer durch die gesamte Driftzone durchgehenden homogenen Zwischenschicht. Allerdings ist diese Struktur, insbesondere aufgrund der schweren Prozessierbarkeit von SiC, technologisch sehr viel aufwändiger herstellbar, als eine durchgehende Halbleiterstruktur, welche zum Beispiel sehr einfach durch epiktaktisches Abscheiden erzeugbar ist. Mittels solcher inselförmig ausgebildeter Zwischenschichten bzw. auch mittels einer git terförmigen Zwischenschichtstruktur lassen sich sehr stabile Lawinendurchbrüche (Avalanche Effekt) aufgrund von Stoßionisationen bereitstellen.

In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Pufferzone des ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen. Diese Pufferzone ist lateral durchgehend zwischen der Driftzone und dem Halbleiterkörper angeordnet. Vorzugsweise trennt diese Pufferzone die Driftzone und den Halbleiterkörper vollständig voneinander. Die Pufferzone weist eine gegenüber der angrenzenden Driftzone höhere Dotierungskonzentration und eine gegenüber dem angrenzenden Halbleiterkörper niedrigere Dotierungskonzentration auf. Das Vorsehen einer Pufferzone ist dann vorteilhaft, wenn die SiC Leistungsdiode mit einem so genannten Punch-Through-(PT-)Design ausgebildet sein soll, um auf diese Weise eine sich vom PN-Übergang ausbreitende Raumladungszone von dem stark dotierten Halbleiterkörper abzuhalten. Im Falle eines so genannten Non-Punch-Through-(NPT-)Designs der Leistungsdiode ist eine solche Pufferschicht nicht unbedingt erforderlich, jedoch nicht notwendigerweise nachteilig. Solche PT- und NPT-Designs sowie deren Funktionen sind bei IGBT Halbleiterbauelementen (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) allgemein bekannt, sodass hier nicht näher auf diese Strukturen sowie deren Funktion eingegangen wird.

Typischerweise weist die Zwischenschicht eine gegenüber dem Halbleiterkörper niedrigere Dotierungskonzentrationen auf.

In einer typischen Ausgestaltung weist die erste Driftzonenschicht, die also an den PN-Übergang angrenzt, eine geringere Dotierungskonzentration als die zweite Driftzonenschicht auf. Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, weist die zweite Driftzonenschicht eine im Bereich von 5 % bis 40%, insbesondere im Bereich von 10 % bis 20 %, höhere Dotierungskonzentrationen als die darüber liegenden erste Driftzonenschicht auf. Denkbar, sofern dies prozesstechnisch machbar ist, wäre allerdings auch, wenn beide Driftzonenschichten innerhalb der Driftzone dieselbe Dotierungskonzentration auf weisen. Technologisch ist dies allerdings sehr schwer realisierbar, da im Falle einer auf die zweite Driftzonenschicht epiktaktisch aufgewachsenen Zwischenschicht bei sonst gleich eingestellten Prozessparametern die darauf aufgebrachte erste Driftzonenschicht üblicherweise eine geringfügig andere Dotierungskonzentration aufweist.

In einer typischen Ausgestaltung weist die Anodenzone eine sehr hohe Dotierungskonzentration im Bereich zwischen 1·1018 cm^–3 und 1·1022 cm^–3 auf. Vorzugsweise liegt die Dotierung der Anodenzone zwischen 1·1019 cm^–3 und 1·1021 cm^–3. Die Verwendung einer Anodenzone mit sehr hoher Dotierungskonzentration weist zum einen den Vorteil auf, dass dadurch eine hohe Emittereffizienz realisierbar ist. Zum anderen kann auf diese Weise eine bessere elektrische Kontaktierung einer Anodenmetallisierung gewährleistet werden, was bei SiC im Unterschied zu Silizium immer eine Schwierigkeit in sich birgt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die durchgehende Zwischenschicht bzw. die Mehrzahl inselförmig ausgebildeter Zwischenschichten jeweils eine Dotierungskonzentration im Bereich zwischen 1·1018 cm^–3 und 1·1020 cm^–3 auf. Vorzugsweise liegt die Dotierungskonzentration dieser Zwischenschichten im Bereich 1·1019 cm^–3 und 5·1019 cm^–3. Eine durchgehende Zwischenschicht bzw. die Vielzahl inselförmiger Zwischenschichten weisen somit eine signifikant höhere Dotierungskonzentration als die sie umgebenden Driftzonenschichten auf. Im Falle einer durchgehenden Zwischenschicht ist deren Dotierungskonzentration typischerweise um ein bis zwei Größenordnungen größer als die der Driftzone und im Falle einer Vielzahl inselförmiger Zwischenschichten ist deren Dotierungskonzentration um etwa ein bis drei Größenordungen größer als die der angrenzenden Driftzonenschichten. Unter einer Größenordnung ist eine 10er-Potenz also der Faktor 10 zu verstehen, unter zwei und drei Größenordnungen ist somit 102 = 100 bzw. 103 = 1000 zu verstehen.

In einer typischen Ausgestaltung weist die zumindest eine Zwischenschicht eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 μm bis 20 μm und insbesondere im Bereich von 1 μm bis 5 μm auf. Allgemein gilt dabei, dass im Falle einer durchgehenden Zwischenschicht deren Schichtdicke dicker ist als im Falle der inselförmigen oder gitterförmiger Zwischenschichten. Letztere weisen typischerweise eine Schichtdicke von weniger als 1 μm auf, während im ersteren Fall einer einzigen, durchgehenden Zwischenschicht diese zumindest einige μm Schichtdicke aufweist.

In einer typischen Ausgestaltung ist die zumindest eine Zwischenschicht in der unteren Hälfte der Driftzone und vorzugsweise im unteren Drittel der Driftzone bezogen auf einen PN-Übergang der Leistungsdiode angeordnet. Die genaue Anordnung dieser Zwischenschicht bezogen auf die Driftzone ist dabei eine Optimierungsmaßnahme, die typischerweise durch Simulation ermittelt wird. In gleicher Weise wird auch deren Schichtdicke sowie Dotierungskonzentration typischerweise durch Simulation ermittelt.

In einer typischen Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper eine rückseitige Oberfläche und eine vorderseitige Oberfläche auf. Die rückseitige Oberfläche ist großflächig mit einer als Kathodenanschluss fungierenden Kathodenmetallisierung elektrisch, das heißt ohmsch kontaktiert. Die vorderseitige Oberfläche wird durch die Emitterzone gebildet und ist großflächig mit einer als Anodenanschluss fungierenden Anodenmetallisierung elektrisch kontaktiert. Als Kontakte eignen sich hier insbesondere Nickelverbindungen, wie beispielsweise Nickel-Aluminium Legierungen. Denkbar wären allerdings auch andere Legierungen, wie beispielsweise auf der Basis von Wolfram, Titan, Tantal, Silizide und dergleichen.

Bevorzugte Anwendungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gleichrichter, Umrichter und/oder Teile eines Leistungsschalters.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 einen Teilschnitt einer bekannten SiC-PN-Leistungsdiode zur Erläuterung der Problematik;

1a eine idealisierte Strom-/Spannungskennlinie im Durchlassbetrieb der SiC-Leistungsdiode aus 1;

2 einen Teilschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen SiC-Leistungsdiode;

2a die Dotierungsverhältnisse der verschiedenen Schichten der Leistungsdiode aus 2;

3 einen Teilschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen SiC-Leistungsdiode;

4 einen Teilschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen SiC-Leistungsdiode;

4a eine Draufsicht auf die Zwischenschicht der SiC-Leistungsdiode aus 4 zur Darstellung dessen Struktur;

4b eine weitere Draufsicht auf die Zwischenschicht der SiC-Leistungsdiode aus 4 zur Darstellung dessen Struktur;

5 eine Strom-/Spannungs-Kennlinie einer im Durchlassbetrieb betriebenen erfindungsgemäßen SiC-Leistungsdiode entsprechend der 2 und 3;

6 eine Schaltungsanordnung eines Leistungsbauelementes mit mehreren erfindungsgemäßen SiC-Leistungsdioden.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Signale – sofern nicht Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung und in der gesamten Patentanmeldung bezieht sich der Begriff "SiC" auf alle wichtigen Kristall-Polytypen von Siliziumcarbid und dabei insbesondere auf 6H-, 4H-, 2H-, 3C- u Patentanmeldung stets auf SiC basierende PN-Leistungsdioden und bipolare Leistungsdioden gemeint sind, auch wenn lediglich von Leistungsdioden oder SiC-Leistungsdioden die Rede ist. Bei SiC als Halbleitermaterial entspricht die eingebrachte Dotierung sehr häufig nicht der für den Stromfluss vorgesehenen, so genannten elektrisch aktiven Dotierung. Unter Dotierung ist hier stets die in den jeweiligen Halbleiterkörper eingebrachte Dotierung zu verstehen.
2 zeigt anhand eines Teilschnittes eine erfindungsgemäße SiC-Leistungsdiode. 2a zeigt die Dotierungsverhältnisse der verschiedenen Gebiete und Schichten der Leistungsdiode aus 2, wobei auf der Abszisse die Tiefe x der SiC-Leistungsdiode von der anodenseitigen Vorderseite her in linearer Form und auf der Ordinate die Dotierungskonzentration ND in logarithmischer Form in der Einheit cm^–3 dargestellt ist.
Die mit Bezugszeichen 10 bezeichnete Leistungsdiode enthält einen SiC-Halbleiterkörper 11 bzw. ein SiC-Substrat. Der SiC-Halbleiterkörper 11, der zum Beispiel Bestandteil eines SiC-Wafers ist, weist eine starke N-Dotierung auf. Der SiC-Halbleiterkörper 11 weist eine vorderseitige Oberfläche 12 und eine rückseitige Oberfläche 13 auf.
Auf der vorderseitigen Oberfläche 12 ist eine Pufferschicht 14 auf den SiC-Halbleiterkörper 11 aufgebracht. Die Pufferschicht 14 weist eine geringere Dotierungskonzentration als der Halbleiterkörper 11 auf. Die Pufferschicht 14 gewährleistet ein PT-Design der Leistungsdiode 10 und soll verhindern, dass eine Raumladungszone von einem PN-Übergang in den Halbleiterkörper 11 hinein reicht.
Auf der Pufferzone 14 ist eine schwach N-dotierte Driftzone 15 aufgebracht. Die Dotierungskonzentration der Driftzone 15 ist typischerweise um ein bis zwei Größenordnungen geringer als die der Pufferzone 14. Die Driftzone 15 weist eine Schichtdicke D1 auf, die sich je nach der Dotierungskonzentration der Driftzone 15 sowie der Sperreigenschaften der Leistungsdiode 10 im Bereich von typischerweise D1 = 3 μm bis D1 = 100 μm bewegt.
Auf der Driftzone 15 ist eine stark P-Dotierte Emitterzone 16 aufgebracht. Eine Grenzfläche zwischen der Driftzone 15 und der Emitterzone 16 definiert somit einen PN-Übergang 17 der Leistungsdiode 10, von der sich im Sperrbetrieb eine Raumladungszone in die Driftzone 15 einerseits und die Emitterzone 16 andererseits ausbreiten kann.
Die so ausgebildete SiC-Leistungsdiode weist eine vorderseitige Oberfläche 18, die die Oberfläche der Emitterzone 16 bildet, sowie eine rückseitige Oberfläche 13 auf, die identisch ist mit der rückseitigen Oberfläche 13 des Halbleiterkörpers 11. Auf der rückseitigen Oberfläche 13 ist großflächig eine Kathodenmetallisierung 19 aufgebracht, die mit einem Kathodenanschluss K verbunden ist. Auf der vorderseitigen Oberfläche 18 ist eine großflächige Anodenmetallisierung 20 aufgebracht, die mit einem Anodenanschluss A verbunden ist. Abhängig von dem Dotierungstyp der entsprechend angrenzenden Halbleiterschicht (also N oder P) sowie deren Dotierungskonzentrationen werden dabei jeweils geeignete Materialien herangezogen, wobei sich Nickellegierungen und insbesondere Nickel-Aluminium-Legierungen (NixAly) hier als besonders vorteilhaft heraus gestellt haben. Ebenfalls besonders vorteilhaft ist es, wenn die unter der jeweiligen Metallisierung 19, 20 liegende Halbleiterschicht 11, 16 eine möglichst hohe Dotierungskonzentration für die Gewährleistung eines ohmschen Kontaktes mit möglichst geringem Kontaktwiderstand aufweist.
Erfindungsgemäß ist nun innerhalb der Driftzone 15 eine dünne Zwischenschicht 21 angeordnet. Die Zwischenschicht 21 weist eine Schichtdicke D2 von typischerweise im Bereich zwischen D2 = 0,1 bis D2 = 5 μm und typischerweise von etwa D2 = 1 μm auf. Die Zwischenschicht 21 ist stark N-dotiert und weist eine zumindest um ein bis drei Größenordnungen höher Dotierungskonzentration als die sie umgebenden Bereiche der Driftzone 15 auf.
Im Beispiel in 2 ist die Zwischenschicht 21 als eine einzige, lateral durch die gesamte Driftzone 15 durchgehende Schicht ausgebildet, sodass sie die Driftzone 15 in eine erste anodenseitige Driftzonenteilschicht 22 und eine zweite katodenseitige Driftzonenteilschicht 23 teilt, die voneinander durch die Zwischenschicht 21 beabstandet sind. Die beiden Driftzonenteilschichten 22, 23 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa eine ähnliche Dotierungskonzentration auf, wobei die kathodenseitige Driftzonenteilschicht 23 typischerweise eine im Bereich von 5 bis 40 % höhere Dotierungskonzentration als die anodenseitige Driftzonenteilschicht 22 aufweist (siehe 2a). Je nach Dotierungskonzentration in der Driftzone 15 sowie je nach gewünschtem Sperrverhalten ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht 21 sich in der unteren Hälfte (D3 ≤ 1/2·D1) und insbesondere im unteren Drittel (D3 ≤ 1/3·D1) der Driftzone 15 befindet.
Für die Herstellung der Leistungsdiode 10 werden die Pufferschicht 14, die zweite Driftzonenteilschicht 23, die Zwischenschicht 21, die erste Driftzonenteilschicht 22 und die Emitterschicht 16 nacheinander auf den Halbleiterkörper 11 epiktaktisch aufgewachsen. Die Dotierung dieser Schichten 14, 16, 21-23 erfolgt während der Epitaxie durch Beimischung der entsprechend gewünschten Dotierstoffe in der entsprechend gewünschten Dosis. Als Dotierstoffe für die N-Dotierung der Schichten 14, 21, 22, 23 eignet sich vorzugsweise Stickstoff oder Phosphor. Alternativ können die einzelnen Schichten auch durch Ionenimplantation dotiert werden. Allerdings muss nach der Ionenimplantation eine Hochtemperaturbehandlung zum Ausheilen von Kristallschäden und zum elektrischen Aktivieren der eingebrachten Dotierstoffatome erfolgen. Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Hochtemperaturbehandlung bereits während der Ionenimplantation durchgeführt wird, beispielsweise unter Anwendung der Hochtemperatur-Ionenimplantation.
3 zeigt einen Teilschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen SiC-Leistungsdiode. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 2 enthält die Leistungsdiode 10 hier keine Pufferschicht 14, sodass hier ein NPT-Design implementiert ist. Hier wird die Driftzone 15 also direkt auf den Halbleiterkörper 11 aufgebracht.
4 zeigt einen Teilschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen SiC-Leistungsdiode. Im Unterschied zu der SiC-Leistungsdiode in 2 ist hier die Zwischenschicht 21 nicht als lateral durch die gesamte Driftzone 15 durchgehende Schicht ausgebildet, sodass dadurch die beiden Driftzonenteilschichten 22, 23 in Bereichen zwischen zwei benachbarten Zwischenzonen 21 miteinander verbunden sind. Für die Realisierung der Zwischenschicht 21 in 4 sind grundsätzlich verschiedene Layouts. möglich, die anhand der Layout-Darstellungen in den 4a und 4b kurz erläutert werden.
In der Ausführungsform in der 4a ist eine gitterförmige zusammenhängende Zwischenschicht 21 entlang der Gerade A-A (aus 4) dargestellt. Diese Zwischenschicht 21 weist im Layout mehr oder weniger quadratische Löcher 24 auf, bei denen die beiden Driftzonenteilschichten 22, 23 direkt miteinander verbunden sind.
In der Ausführungsform in 4b ist eine Vielzahl inselförmiger Zwischenschichten 21 vorgesehen, die im Layout (Gerade A-A) eine quadratische Form aufweisen und die lateral voneinander getrennt sind. Diese verschiedenen Zwischenschichtinseln 21 sind vertikal in etwa in derselben Tiefe angeordnet. In den Bereichen zwischen den Zwischenschichten 21 sind die Driftzonenteilschichten 22, 23 direkt miteinander verbunden.
In den 4a, 4b wurden lediglich beispielhaft quadratische Strukturen für die Löcher 24 (4a) bzw. die Zwischeninseln 21 (4b) gewählt. Es versteht sich von selbst, dass hier auch eine beliebig andere Kontur dieser Strukturen 21, 24 gewählt werden kann, beispielsweise eine runde, ovale, dreieckförmige, rechteckige, hexagonale, etc. Kontur gewählt werden kann. Auch müssen diese Strukturen 21, 24 nicht dieselben Konturen aufweisen.
Es sei angenommen, dass die Zwischenschicht 21 hier durch eine maskierte Ionenimplantation erzeugt wird. Im Anschluss an die Ionenimplantation müsste dann – nach einem Entfernen der aufgebrachten Maske – eine Hochtemperaturbehandlung zum Ausheilen von Kristallschäden und zum elektrischen Aktivieren der eingebrachten Dotierstoffatome vorgenommen werden.
Alternativ könnte auch vorgesehen sein, dass die Zwischenschicht 21 durch Epitaxie aufgebracht wird. Hierfür müsste allerdings zunächst eine Maskierung auf die zweite Driftzonenteilschicht 23 aufgebracht werden. Nach dem epitaktischen Aufwachsen der Zwischenschicht(en) 21 müsste diese Maske auch wieder entfernt werden. Allerdings würde dann – abhängig von der Dicke der Zwischenschicht(en) sowie der Dicke der ersten Driftzonenschicht 22 – die erste Driftzonenschicht 22 an der Oberfläche mehr oder weniger starke Wellen bzw. Stufen aufweisen.
5 zeigt die qualitativen Kennlinien einer erfindungsgemäßen Leistungsdiode entsprechend den 2-4 in Abhängigkeit von der Temperatur. Es zeigt sich, dass durch das Einfügen von hochdotierten Zwischenschichten 21 innerhalb der Driftzone 15 und einer geeigneten Wahl deren Dotierungskonzentrationen sowie der Dicke D2 der Zwischenschicht 21 und deren Anordnung innerhalb der Driftzone 15 ein positiver Temperaturkoeffizient derart realisiert werden kann, dass bei eingeprägtem Strom I die Flussspannung UF im Durchlassbetrieb mit steigender Temperatur T ebenfalls zunimmt.
6 zeigt eine bevorzugte Schaltungsanwendung der erfindungsgemäßen Leistungsdiode. 6 zeigt dabei eine Schaltungsanordnung 25, beispielsweise eine leistungselektronische Baugruppe, die eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Leistungsdioden 10 aufweist. Diese Leistungsdioden 10 sind bezüglich deren stromführenden Pfade parallel zueinander angeordnet und zwischen einem gemeinsamen Anodenanschluss A und einem gemeinsamen Kathodenanschluss K geschaltet. Der besondere Vorteil besteht hier darin, dass eine beliebige Vielzahl erfindungsgemäßer Leistungsdioden 10 parallel geschaltet werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass hier – beispielsweise aufgrund eines zu negativen Temperaturkoeffizienten – zumindest eine dieser Leistungsdioden einen höheren Strom als die Übrigen führt und dies zu einer unerwünschten Aufheizung dieser Leistungsdiode und in der Folge zum Ausfall dieser Leistungsdiode führen würde. Solche Leistungsgleichrichter sind daher dazu ausgelegt, eine durch die Struktur der Leitungsdiode bedingte hohe Sperrspannung aufzunehmen und zugleich einen sehr hohen Strom zu führen. Diese Schaltungsanordnungen eignen sich dabei insbesondere für Hochleistungsumrichter, Hochleistungsgleichrichter, Hochleistungsschalter und dergleichen.
Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sei sie nicht darauf beschränkt, sondern lässt sich auf vielfältige Art und Weise modifizieren.
Es versteht sich von selbst, dass durch Austausch der Leitfähigkeitstypen N gegen P und umgekehrt sowie durch Variation der Dotierungskonzentrationen, der Schichtdicken und Abstände eine beliebige Vielzahl modifizierter Leistungsdiodenstrukturen bereitgestellt werden könnte, ohne vom Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Auch die angegebenen Herstellungsverfahren wurden lediglich beispielhaft aufgeführt, ohne die Erfindung jedoch dahingehend einzuschränken. Auch die verwendeten Materialien (mit Ausnahme von SiC), insbesondere die der Metallisierungen und Dotierstoffe, seien lediglich beispielhaft zu verstehen und können auch durch geeignete andere Materialien ersetzt werden.

Claims

Integrierte vertikale SiC-PN-Leistungsdiode (10), – mit einem hochdotierten SiC-Halbleiterkörper (11) eines ersten Leitfähigkeitstyps, – mit einer niedrig dotierten Driftzone (15) des ersten Leitfähigkeitstyps, die emitterseitig über dem Halbleiterkörper (11) angeordnet ist, – mit einer Emitterzone (16) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Driftzone (15) aufgebracht ist, – mit zumindest einer innerhalb der Driftzone (15) angeordneten dünnen Zwischenschicht (21) des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine gegenüber der Driftzone (15) höhere Dotierungskonzentration aufweist und die Driftzone (15) zumindest in eine erste anodenseitige Driftzonenschicht (22) und zumindest in eine zweite kathodenseitige Driftzonenschicht (23) unterteilt.
Leistungsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine lateral durch die gesamte Driftzone (15) durchgehende Zwischenschicht (21) vorgesehen ist, die die erste Driftzonenschicht (22) von der zweiten Driftzonenschicht (23) trennt.
Leistungsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (21) als lateral durch die gesamte Driftzone (15) durchgehende gitterförmige Schichtstruktur ausgebildet ist.
Leistungsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl voneinander lateral beabstandeter und vertikal in der gleichen Tiefe angeordneter, inselförmiger Zwischenschichten (21) in der Driftzone (15) vorgesehen sind.
Leistungsdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Pufferzone (14) des ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, die lateral zwischen der Driftzone (15) und dem Halbleiterkörper (11) angeordnet ist und die eine gegenüber der an die Pufferzone (14) angrenzenden Driftzone (15) höhere Dotierungskonzentration und eine gegenüber dem angrenzenden Halbleiterkörper (11) niedrigere Dotierungskonzentration aufweist.
Leistungsdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (21) eine gegenüber dem Halbleiterkörper (11) niedrigere Dotierungskonzentration aufweist.
Leistungsdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Driftzonenschicht (22) eine geringere Dotierungskonzentration als die zweite Driftzonenschicht (23) aufweist.
Leistungsdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterzone (16) eine hohe Dotierungskonzentration im Bereich zwischen 1·1018 cm^–3 und 1·1022 cm^–3, und insbesondere im Bereich zwischen 1·1019 cm^–3 und 1·1021 cm^–3, aufweist.
Leistungsdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (21) eine Dotierungskonzentration im Bereich zwischen 1·1018 cm^–3 und 1·1020 cm^–3, und insbesondere im Bereich von 1·1019 cm^–3 und 5·1019 cm^–3, aufweist.
Leistungsdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (21) eine um ein bis drei Größenordnungen höhere Dotierungskonzentration als die angrenzenden Driftzonenschichten (22, 23) aufweist.
Leistungsdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (21) eine Schichtdicke (D2) im Bereich von 0,1 μm-20 μm, insbesondere im Bereich von 1 μm-5 μm, aufweist.
Leistungsdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (21) in der unteren Hälfte der Driftzone (15) und insbesondere im unteren Drittel der Driftzone (15) bezogen auf einen PN-Übergang (17) der Leistungsdiode (10) angeordnet ist.
Leistungsdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (11) eine rückseitige Oberfläche (13) aufweist, die flächig mit einer Kathodenmetallisierung (19) elektrisch leitend kontaktiert ist, und die Emitterzone (16) eine vorderseitig Oberfläche aufweist, die flächig mit einer Anodenmetallisierung (20) elektrisch leitend kontaktiert ist.
Schaltungsanordnung (25) insbesondere leistungselektronische Baugruppe (25) – mit einem gemeinsamen Anodenanschluss (A), – mit einem gemeinsamen Katodenanschluss (K) und – mit einer Vielzahl von einzelnen integrierten vertikalen SiC-PN-Leistungsdioden (10) nach einem der vorstehenden Ansprüchen, die bezüglich derer Strom führenden Pfade parallel zueinander und zwischen dem Anodenanschluss (A) und dem Katodenanschluss (K) angeordnet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dass das Leistungs-Bauelement (25) als Gleichrichter, als Umrichter oder als Teil eines Leistungsschalters ausgebildet ist.