DE102006046845B4 - Halbleiterbauelement mit verbesserter Robustheit - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement, das aufweist:
eine Anschlusszone (11),
eine schwächer als die Anschlusszone (11) dotierte Driftzone (12) eines ersten Leitungstyps,
einen Bauelementübergang zwischen der Driftzone (12) und einer weiteren Bauelementzone (14), und
eine zwischen der Driftzone (12) und der Anschlusszone angeordnete Ladungsträgerkompensationszone (13) des ersten Leitungstyps, deren Dotierungskonzentration geringer ist als die der Anschlusszone (11), deren Dotierungskonzentration wenigstens abschnittsweise in Richtung der Anschlusszone (11) von einer minimalen Dotierungskonzentration zu einer maximalen Dotierungskonzentration zunimmt, wobei die minimale Dotierungskonzentration mehr als 1016 cm–3 beträgt, wobei die Ladungsträgerkompensationszone einen Bereich aufweist, in dem die Dotierung von 5·1016 cm–3 auf 2·1017 cm–3 ansteigt, wobei die Änderung der Dotierungskonzentration in diesem Bereich maximal 2·1021 cm–4 beträgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement, mit einer Driftzone und einer Anschlusszone eines ersten Leitungstyps und mit einem Bauelementübergang zwischen der Driftzone und einer weiteren Bauelementzone.
  • Bei derartigen Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Dioden, Bipolartransistoren oder MOSFETs, breitet sich im Sperrfall ausgehend von dem Bauelementübergang, beispielsweise einem pn-Übergang oder einem Schottky-Übergang, eine Raumladungszone bzw. ein elektrisches Feld in der Driftzone aus. Die Fähigkeit der Driftzone, eine solche Raumladungszone, und damit eine an dem Bauelement anliegende Sperrspannung aufzunehmen ist von der Dotierungskonzentration der Driftzone und deren Abmessung zwischen dem Bauelementübergang und der Anschlusszone abhängig.
  • Halbleiterbauelemente sind im sperrenden Zustand, also dann wenn ein hohes elektrisches Feld in der Driftzone vorhanden ist, anfällig gegen sogenannte Höhenstrahlung, die im Extremfall zu einer Zerstörung des Bauelements führen kann, wie beispielsweise in Kaindl et al.: ”Physically Based Simulation of Strong Charge Multiplication Events in Power Devices Triggered by Incident Ions”, Proceedings of the 16th International Symposium an Power Semiconductor Devices & IC's, Kitakyushu, Japan, 2004, beschrieben ist. Primäre Höhenstrahlung, die auch als kosmische Strahlung bezeichnet wird, besteht aus sehr energiereichen Teilchen, die außerhalb der Erdatmosphäre entstehen und die beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre Sekundärteilchen, darunter Protonen und Neutronen, erzeugen. Diese Sekundärteilchen, die bis auf die Erde gelangen, können beim Auftreffen auf ein Halbleiteratom eines Leistungshalbleiterbauelements ein lokales Plasma an Ladungsträgern generieren. Liegt an dem Bauelement zu dem Zeitpunkt des Auftreffens dieses Sekundärteilchens ein hohes elektrisches Feld an, so werden durch Stoßionisation an dieser Stelle Ladungsträger in hoher Dichte erzeugt, wodurch ein lokaler Lawinendurchbruch erfolgt, der innerhalb von wenigen 100 Pikosekunden (ps) zu einer lokalen Überschwemmung des Bauelements, insbesondere der Driftzone, mit Ladungsträgern führt. Es bildet sich ein lokales Filament. Bezugnehmend auf Soelkner et al.: „Charge Carrier Avalanche Multiplication in High-Voltage Diodes Triggered by Ionizing Radiation”, IEEE Transactions an Nucl. Sc. Vol. 47, No. 6 (2000), 2365–2372 können bei einem durch Höhenstrahlung bedingten Lawinendurchbruch des Bauelements Elektronendichten zwischen 5·1016 cm–3 und 5·1017 cm–3 entstehen.
  • Bezugnehmend auf Kaindl et al., a. a. O., kann die Robustheit eines Bauelements gegen Höhenstrahlung dadurch gesteigert werden, dass die Dotierungskonzentration der Driftzone des Bauelements gesenkt wird, um eine sogenannte Punch-Through-Dotierung (PT-Dotierung) des Bauelements zu erreichen. Bei diesen Bauelementen ist allerdings die Weite der Driftzone [die ist ein Geometriemerkmal) zu erhöhen, um bei Schaltvorgängen einen Stromabriss, das heißt einen hohen Gradienten des Stromflusses, der in Zuleitungen zu einer starken Spannungsspitze und zu elektromagnetischen Störungen führen kann, zu vermeiden. Eine Vergrößerung der Weite der Driftzone bedingt allerdings erhöhte Schalt- und Durchlassverluste des Bauelements.
  • Die DE 100 53 445 C2 beschreibt ein als IGBT ausgebildetes Leistungshalbleiterbauelement, bei dem zwischen einer Driftzone und einer Emitterzone bzw. Kollektorzone eine Feldstoppzone des gleichen Leitungstyps wie die Driftzone angeordnet ist. Die Dotierungskonzentration dieser Feldstoppzone nimmt in Richtung der Emitterzone zu und beträgt maximal zwischen 5·1014 cm–3 und 5·1015 cm–3.
  • Die DE 102 45 091 A1 beschreibt ebenfalls ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer Feldstoppzone, deren Dotierungskonzentration in Richtung einer Emitterzone zunimmt. Die Dotierungskonzentration der Feldstoppzone liegt hierbei zwischen 1014 cm–3 und maximal 1016 cm–3.
  • Die DE 10 2005 009 000 A1 beschreibt einen vertikalen MOSFET mit einer Driftzone und einer Drainzone sowie einer zwischen der Driftzone und der Drainzone angeordneten Feldstoppzone.
  • Die US 3 872 494 A beschreibt einen Bipolartransistor mit einer Kollektorzone, die ein niedrig dotiertes Halbleitergebiet, ein hoch dotiertes Halbleitergebiet und ein zwischen dem hoch dotierten und dem niedrig dotierten Halbleitergebiet angeordnetes Diffusionsgebiet aufweist, wobei ein Gradient der Dotierungskonzentration in dem Diffusionsgebiet zwischen 1,3·1010 cm–4 und 5·1021 cm–4 beträgt.
  • Die US 6 384 431 B1 beschreibt einen IGBT mit einer n-dotierten Basiszone und einer p-dotierten Emitterzone sowie zwei n-dotierten Zwischenschichten zwischen der n-Basis und dem p-Emitter von denen sich eine an den n-Emitter anschließt und höher dotiert ist als eine Andere, die sich an die n-Basis anschließt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, das eine erhöhte Robustheit, insbesondere eine erhöhte Robustheit gegen Höhenstrahlung, bei einem geringen Einschaltwiderstand und damit geringen Schaltverlusten aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine Ausführungsform des Halbleiterbauelements umfasst eine Anschlusszone, eine schwächer als die Anschlusszone dotierte Driftzone bzw. Basiszone eines ersten Leitungstyps sowie einen Bauelementübergang zwischen der Driftzone und einer weiteren Bauelementzone. Zwischen der Driftzone und der Anschlusszone ist außerdem eine Ladungsträgerkompensationszone des ersten Leitungstyps angeordnet, deren Dotierungskonzentration geringer ist als die der Anschlusszone, deren Dotierungskonzentration wenigstens abschnittsweise in Richtung der Anschlusszone von einer minimalen Dotierungskonzentration zu einer maximalen Dotierungskonzentration zunimmt, wobei die minimale Dotierungskonzentration mehr als 1016 cm–3 beträgt.
  • Diese Ladungsträgerkompensationszonen, deren Dotierungskonzentration höher ist, als die Dotierungskonzentration von Feldstoppzonen herkömmlicher Halbleiterbauelemente, sorgt bei einem Betriebszustand, bei dem Ladungsträger in Folge einer Stoßionisation die Driftzone überschwemmen, dafür, dass die elektrische Ladung wenigstens eines Teils dieser Ladungsträger durch eine entgegengesetzte, durch die Ladungsträgerkompensationszone bewirkte Gegenladung kompensiert wird. Diese wenigstens teilweise Kompensation verhindert, dass die die Driftzone überschwemmenden Ladungsträger im Bereich eines Übergangs zu der höher dotierten Anschlusszone ein zweites hohes Feld erzeugen können, durch das in diesem Bereich ein zweiter Lawinendurchbruch auftritt.
  • Die Ladungsträgerkompensationszone kann die Höhenstrahlungsfestigkeit dieses Bauelements dahingehend erhöhen, dass bei sonst gleichen Eigenschaften, das heißt gleicher Spannungsfestigkeit und annähernd gleichem Einschaltwiderstand bzw. annähernd gleichem Spannungsabfall in leitenden Zustand wie ein herkömmliches Bauelement ohne Ladungsträgerkompensationszone, eine 50% bis 70% höhere Spannung wie bei einem herkömmlichen Bauelement über der Driftzone erforderlich ist, um bei einer durch höhenstrahlungsbedingte Stoßionisation bewirkten Überschwemmung der Driftzone mit Ladungsträgern eine Zerstörung des Bauelements herbeizuführen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt ausschnittsweise im Querschnitt ein als Diode ausgebildetes Leistungshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer zwischen einer Driftzone und einer Anschlusszone angeordneten Ladungsträgerkompensationszone.
  • 2 veranschaulicht den Dotierungsverlauf in der Ladungsträgerkompensationszone.
  • 3 veranschaulicht schematisch den Verlauf eines elektrischen Feldes in der Driftzone und der Ladungsträgerkompensationszone Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Sperrfall nach einer erfolgten Stoßionisation.
  • 4 veranschaulicht den Verlauf des elektrischen Feldes in der Driftzone eines herkömmlichen Bauelements ohne Ladungsträgerkompensationszone.
  • 5 zeigt ausschnittsweise im Querschnitt ein als Schottkydiode ausgebildetes Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 zeigt ausschnittsweise im Querschnitt ein als MOS-Transistor ausgebildetes Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 7 zeigt ausschnittsweise im Querschnitt ein als Bipolartransistor ausgebildetes Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 8 zeigt ausschnittsweise im Querschnitt ein als asymmetrischer Thyristor ausgebildetes Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelementbereiche mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt ausschnittsweise im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, das als Leistungsdiode ausgebildet ist. Dieses Bauelement umfasst in einem Halbleiterkörper 100 eine Driftzone 12 eines ersten Leitungstyps, die bei einer Diode auch als Basiszone bezeichnet wird.
  • Für die nachfolgende Erläuterung sei angenommen, dass Halbleiterzonen des ersten Leitungstyps n-dotierte Halbleiterzonen sind. Es versteht sich jedoch, dass n-dotierte Zonen der nachfolgend erläuterten Bauelemente selbstverständlich auch als p-dotierte Zonen und p-dotierte Zonen entsprechend als n-dotierte Zonen realisiert sein können.
  • Die Diode gemäß 1 weist außerdem eine erste Anschlusszone 11 des gleichen Leitungstyps wie die Driftzone 12 auf, die jedoch sehr viel höher als die Driftzone 12 dotiert ist. Diese erste Anschlusszone 11 bildet bei der in 1 dargestellten Diode eine n-Emitterzone bzw. Kathodenzone, die durch eine Anschlusselektrode 21 kontaktiert ist. Diese Anschlusselektrode 21 bildet einen Kathodenanschluss K der Diode. Das Bauelement weist außerdem einen Bauelementübergang, im vorliegenden Fall einen pn-Übergang zwischen der Driftzone 12 und einer komplementär zu der Driftzone 12 dotierten zweiten Anschlusszone 14 auf. Diese zweite Anschlusszone 14 bildet eine p-Emitterzone bzw. Anodenzone der Diode, schließt sich an einer dem n-Emitter 11 gegenüberliegenden Seite an die Driftzone an und ist durch eine zweite Anschlusselektrode 22 kontaktiert, die einen Anodenanschluss A der Diode bildet.
  • Zusätzlich weist das Bauelement eine Ladungsträgerkompensationszone 13 auf, die zwischen der Driftzone 12 und dem n-Emitter 11 angeordnet ist und die vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone 11 und der n-Emitter 11 ist. Eine Dotierungskonzentration dieser Ladungsträgerkompensationszone 13 nimmt in Richtung des n-Emitters 11 wenigstens abschnittsweise zu. Die Ladungsträgerkompensationszone bewirkt hierbei eine Steigerung der Höhenstrahlungsfestigkeit.
  • In 2 ist anhand eines Verlaufs der Dotierungskonzentration N der Ladungsträgerkompensationszone 13 der Spezialfall veranschaulicht, dass die Dotierungskonzentration der Ladungsträgerkompensationszone 13 stetig über deren gesamte Breite w zunimmt. Die Breite w bezeichnet hierbei die Abmessungen der Ladungsträgerkompensationszone 13 in einer Richtung zwischen der Driftzone 12 und dem n-Emitter 11. Eine minimale Dotierungskonzentration Nmin, d. h. eine minimale Konzentration an Dotierstoffen der Ladungsträgerkompensationszone 13 beträgt mehr als 1016 cm–3 und liegt damit über der Dotierungskonzentration herkömmlicher Feldstoppzonen.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die minimale Dotierungskonzentration Nmin zwischen 2·1016 cm–3 und 1·1017 cm–3 liegt. Eine maximale Dotierungskonzentration Nmax der Ladungsträgerkompensationszone kann zwischen 1·1018 cm–3 und 5·1018 cm–3 betragen. Neben der minimalen Dotierungskonzentration Nmin und der maximalen Dotierungskonzentration Nmax ist eine Zunahme der Dotierungskonzentration in Richtung des n-Emitters 11, die in den 1 und 2 als x-Richtung bezeichnet ist, ein weiterer Parameter, der die nachfolgend noch zu erläuternde Wirkungsweise der Ladungsträgerkompensationszone beeinflusst. Diese Zunahme der Dotierungskonzentration entspricht in der Darstellung gemäß 2 einer Änderung dN/dx des Dotierungsverlaufs in der Ladungsträgerkompensationszone 13 in Richtung x des n-Emitters 11. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass diese Änderung – im vorliegenden Fall die Steigung – der Dotierungskonzentration in Richtung des n-Emitters maximal 2·1021 cm–4 beträgt. Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Änderung der Dotierungskonzentration wenigstens in einem Bereich, der Kompensationszone 13, in dem die Dotierungskonzentration von 5·1018 cm–3 auf 2·1017 cm–3 ansteigt, maximal 2·1021 cm–4 beträgt.
  • Die Dotierungskonzentration des n-Emitters liegt im Vergleich zur Dotierungskonzentration der Ladungsträgerkompensationszone 13 höher und beispielsweise im Bereich von 1019 cm–3 und darüber. Die Dotierungskonzentration der Driftzone 12 liegt beispielsweise im Bereich von 1013 cm–3 bis 1014 cm–3 und ist durch die gewünschte Spannungsfestigkeit des Bauelements gegeben.
  • Nicht dargestellt ist in 2 ein Übergang von einem Abschnitt der Ladungsträgerkompensationszone 13 mit minimaler Dotierungskonzentration Nmin zu der noch kleineren Dotierungskonzentration der Driftzone 12. Dieser Übergang kann beliebig steil, d. h. mit beliebig hohem Gradienten der Dotierungskonzentration erfolgen. Diese Übergangszone gehört im Sinn der vorliegenden Anmeldung noch zu der Driftzone. Die Kompensationszone 13 beginnt im Sinn der vorliegenden Anmeldung erst dort, wo die Dotierungskonzentration den Wert der minimalen Dotierungskonzentration Nmin erreicht.
  • Für die Erläuterung der Funktionsweise der Ladungsträgerkompensationszone 13 sei angenommen, dass sich das Bauelement im Sperrzustand befindet. Ein solcher Sperrzustand liegt bei der in 1 dargestellten Leistungsdiode dann vor, wenn eine negative Spannung zwischen der Anode A und der Kathode K anliegt. In diesem Fall breitet sich in der Driftzone 12 ausgehend von dem pn-Übergang 16 zwischen der Driftzone 12 und der Emitterzone 14 eine Raumladungszone bzw. ein elektrisches Feld aus, wobei das Maximum des elektrischen Felds am pn-Übergang 16 vorliegt. Kommt es während dieses Betriebszustandes durch eine Stoßionisation in der Driftzone 12 nahe dem pn-Übergang 16 zur Erzeugung freier Ladungsträgerpaare, so werden die Elektronen in dem in der Driftzone 12 vorherrschenden elektrischen Feld in Richtung des auf positiverem Potential als die Driftzone liegenden n-Emitters 11 beschleunigt, während die Löcher in Richtung des p-Emitters 14 beschleunigt werden. Im Bereich der aufgetretenen Stoßionisation kommt es am pn-Übergang 16 zu einem Lawinendurchbruch, durch den weitere freie Ladungsträger generiert werden, die die Driftzone überschwemmen.
  • Die Ladungsträgerkompensationszone 13 dient bei dem dargestellten Bauelement dazu, während dieses Vorgangs, bei dem sich freie Elektronen mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des n-Emitters 11 bewegen, einen zweiten Lawinendurchbruch im Bereich des n-Emitters 11 zu verhindern.
  • Während des erläuterten Betriebszustandes werden bei Eindringen des elektrischen Felds in die Ladungsträgerkompensationszone 13 die Dotierstoffatome ionisiert, so dass in der Ladungsträgerkompensationszone 13 während dieses Betriebszustandes positiv geladene Donatorrümpfe in einer Konzentration vorhanden sind, die der Dotierungskonzentration der Ladungsträgerkompensationszone 13 entspricht. Diese positiv geladenen Donatorrümpfe stellen eine Gegenladung zu den durch die Stoßionisation erzeugten, in Richtung der n-Emitters 11 fortschreitenden n-Ladungsträgern bzw. Elektronen dar. Diese Gegenladung in Form der Donatorrümpfe sorgt für eine Verringerung des elektrischen Feldes im Übergangsbereich zu dem n-Emitter 11 im Vergleich zu einem Bauelement, bei dem keine solche Ladungsträgerkompensationszone 13 vorhanden ist.
  • 3 zeigt schematisch den Verlauf des elektrischen Feldes E in dem Bauelement während des Sperrzustandes und bei einem durch ein Sekundärteilchen einer Höhenstrahlung und folgende Stoßionisation am pn-Übergang erzeugten sehr hohen Ladungsträgerfluss in Richtung des n-Emitters 11. Die Feldstärke ist in 3 aufgetragen über die gesamte Länge der Driftstrecke 12 und der Ladungsträgerkompensationszone 13, das heißt ausgehend von dem pn-Übergang 16 zwischen dem p-Emitter 14 und der Driftzone 12 bis zu dem n-Emitter 11. Eine erste Spannungsspitze des elektrischen Feldes ist hierbei an dem pn-Übergang zwischen dem p-Emitter 14 und der Driftzone 12 vorhanden, wobei hier ein Lawinendurchbruch vorliegt und das elektrische Feld Beträge im Bereich von bis zu 300 kV/cm erreichen kann. In der Ladungsträgerkompensationszone 13 steigt das elektrische Feld in Richtung des n-Emitters 11 zwar an, ein Anstieg des elektrischen Feldes ist bedingt durch die Donatorrümpfe, die während des dargestellten Betriebszustandes in der Ladungsträgerkompensationszone 13 vorhanden sind, jedoch begrenzt. Die Feldstärke bleibt für Silizium als Halbleitermaterial hier unter 150 kV/cm, so dass kein Lawinendurchbruch vorliegt.
  • Der durch die Ladungsträgerkompensationszone 13 bewirkte langsamere Anstieg des elektrischen Feldes im Bereich des n-Emitters 11 führt dazu, dass eine maximal zulässige Sperrspannung, bei der eine Stoßionisation zu einem Lawinendurchbruch im Bereich des n-Emitters, und damit zu einer Zerstörung des Bauelements führen kann, deutlich höher sein kann, als bei herkömmlichen Bauelementen ohne solche Ladungsträgerkompensationszone. Berechnungen haben gezeigt, dass bei zwei gleichen Bauelementen, die sich nur durch das Vorhandensein einer Ladungsträgerkompensationszone bei einem der Bauelemente unterscheiden, die maximale Spannung bei dem Bauelement mit Ladungsträgerkompensationszone um 50% bis 70% höher sein kann als bei dem Bauelement ohne Ladungsträgerkompensationszone.
  • 4 zeigt im Gegensatz dazu den Verlauf des elektrischen Feldes in einer herkömmlichen Diode, bei der keine Ladungsträgerkompensationszone 13 vorhanden ist und bei der die Driftzone unmittelbar an den n-Emitter angrenzt. Bei diesem Bauelement ist unter der Bedingung desselben Elektronenstroms wie in 3, d. h. bei durch das Sekundärteilchen der Höhenstrahlung und Lawinendurchbruch erzeugten starkem Elektronenfluss in Richtung der n-Emitterzone 11 im Bereich eines Übergangs zwischen der Driftzone und dem n-Emitter eine zweite Feldspitze vorhanden, die in 4 mit dem Bezugszeichen 51 bezeichnet ist, und die zu einem zweiten Lawinendurchbruch des Bauelements am n-Emitter 11 führen kann. Das Bezugszeichen 52 in 4 bezeichnet die bereits anhand von 3 erläuterte erste Feldspitze im Bereich des pn-Übergangs zwischen dem p-Emitter und der Driftzone.
  • Bezugnehmend auf 1 besteht optional die Möglichkeit, zwischen der Driftzone 12 und der Ladungsträgerkompensationszone 13 eine Feldstoppzone 15 vorzusehen, die höher als die Driftzone 12 und niedriger als die minimale Dotierungskonzentration der Ladungsträgerkompensationszone 13 dotiert ist. Die Dotierungskonzentration dieser Feldstoppzone liegt beispielsweise zwischen 1014 cm–3 und 1016 cm–3. Diese Feldstoppzone kann insbesondere so realisiert sein, dass deren Dotierungskonzentration in Richtung der Ladungsträgerkompensationszone 13 innerhalb der zuvor genannten Dotierungsgrenzen ansteigt.
  • Das zuvor erläuterte Konzept, bei einem Leistungshalbleiterbauelement zwischen der Driftzone und einer Anschlusszone eine Ladungsträgerkompensationszone mit ansteigender Dotierungskonzentration vorzusehen, ist selbstverständlich nicht auf die bislang erläuterte bipolare Leistungsdiode beschränkt.
  • Dieses Konzept ist bezugnehmend auf 5 beispielsweise auch auf Schottkydioden anwendbar. Eine solche Schottkydiode unterscheidet sich von der in 1 dargestellten bipolaren Diode im wesentlichen dadurch, dass anstelle eines p-Emitters eine Metallschicht 61 vorhanden ist, die mit der Driftzone 12 einen Schottkyübergang bildet.
  • Das erläuterte Konzept des Vorsehens einer Ladungsträgerkompensationszone ist bezugnehmend auf 6 auch auf Leistungs-MOSFET anwendbar. 6 zeigt ausschnittsweise einen solchen Leistungs-MOSFET, der in dem Beispiel als n-Kanal-MOSFET realisiert ist, ausschnittsweise im Querschnitt. Dieser MOSFET weist eine Driftzone 12 und eine erste Anschlusszone 11 des gleichen Leitungstyps auf, zwischen denen eine Ladungsträgerkompensationszone 13 angeordnet ist. Optional ist zwischen der Ladungsträgerkompensationszone 13 und der Driftzone 12 eine Feldstoppzone 15 vorhanden. Diese Halbleiterzonen sind bei dem in 6 dargestellten Bauelement n-dotiert.
  • Die erste Anschlusszone 11 bildet eine Drainzone des MOSFET, die durch eine einen Drainanschluss D bildende Drain-Elektrode 21 kontaktiert ist. Das dargestellte Bauelement ist als vertikales Leistungsbauelement realisiert. In Richtung einer Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 schließt sich an die Driftzone 12 hierbei eine komplementär zu der Driftzone 12 dotierte Bodyzone 14 an, die an eine Source-Elektrode 22 angeschlossen ist. Eine komplementär zu der Bodyzone 14 dotierte Sourcezone 31 ist durch die Bodyzone 14 von der Driftzone 12 getrennt. Zur Steuerung eines Inversionskanals in der Bodyzone 14 zwischen der Sourcezone 31 und der Driftzone 12 ist eine Gate-Elektrode 32 vorhanden, die durch ein Gatedielektrikum 33 dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper isoliert ist.
  • Der dargestellte Transistor ist als planarer Transistor realisiert. Bei diesem Transistor ist die Gate-Elektrode 32 oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers angeordnet und die Driftzone 12 erstreckt sich abschnittsweise bis an diese Vorderseite 101. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Realisierung lediglich als Beispiel zu verstehen ist und dass beliebige Transistorstrukturen, insbesondere auch Trench-Strukturen realisiert werden können.
  • Der dargestellte MOSFET leitet bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Drain-Elektrode 21 und der Source-Elektrode 22 und Anlegen eines zur Ausbildung eines Inversionskanals geeigneten Ansteuerpotential an die Gate-Elektrode 32. Das Bauelement sperrt bei einer positiven Spannung zwischen der Drain-Elektrode 21 und der Source-Elektrode 22, wenn kein geeignetes Potential an der Gate-Elektrode 32 zur Ausbildung eines Inversionskanals in der Bodyzone 14 vorhanden ist. In diesem Fall breitet sich in der Driftzone 12 ausgehend von der an die Source-Elektrode 22 angeschlossenen Bodyzone 14 eine Raumladungszone in Richtung der Drainzone 11 aus. Das Verhalten des sperrend angesteuerten MOSFET entspricht dem Verhalten der sperrend angesteuerten Diode, so dass diesbezüglich und bezüglich der Funktionsweise der Ladungsträgerkompensationszone 13 auf die Ausführungen zu der Diode gemäß 1 verwiesen wird.
  • Das erläuterte Konzept ist darüber hinaus auch auf einen IGBT anwendbar, der sich von dem in 6 dargestellten MOSFET im wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die Drainzone 11 komplementär zu der Driftzone 12 – in dem Beispiel also p-dotiert – ist, was in 6 durch die Dotierungsangabe in Klammern dargestellt ist.
  • 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines als Leistungs-Bipolartransistor realisierten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement. Der dargestellte Transistor ist als npn-Bipolartransistor realisiert. Die Bauelementstruktur mit der Driftzone 12, der Ladungsträgerkompensationszone 13 und der Anschlusszone 11 entspricht dabei den zuvor anhand der Diode in 1 und dem MOSFET in 6 erläuterten Bauelementstrukturen. Die Anschlusszone 11 bildet bei dem in 7 dargestellten Bipolartransistor dessen Kollektorzone, die durch eine Kollektorelektrode 21 kontaktiert ist. An die Driftzone 12 schließt sich bei diesem Bauelement an einer der Kollektorzone 11 bzw. Ladungsträgerkompensationszone 13 abgewandten Seite eine komplementär zu der Driftzone 12 dotierte Bauelementzone an, die die Basiszone 14 des Bipolartransistors bildet und die durch eine Basiselektrode 42 kontaktiert ist. Eine komplementär zu der Basiszone 14 dotierte Emitterzone 31 ist durch die Basiszone 14 von der Driftzone 12 getrennt und an eine Emitterelektrode 41 angeschlossen.
  • Das Bauelement sperrt, wenn kein zur leitenden Ansteuerung geeignetes Potential an der Basis B anliegt und wenn eine positive Spannung zwischen dem Kollektoranschluss C und dem Emitteranschluss E anliegt. In diesem Fall breitet sich eine Raumladungszone ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Basiszone 14 und der Driftzone 12 innerhalb der Driftzone 12 in Richtung der Emitterzone 11 aus. Das Verhalten dieses Bauelements in sperrendem Zustand entspricht dem Verhalten der anhand von 1 erläuterten Diode und des anhand von 6 erläuterten MOSFET in sperrendem Zustand, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zu diesen Bauelementen verwiesen wird.
  • Das erläuterte Konzept ist bezugnehmend auf 8 auch auf einen asymmetrischen Thyristor anwendbar. Dieser Thyristor umfasst einen p-Emitter 11, eine sich an den p-Emitter 11 anschließende Ladungsträgerkompensationszone 13 und eine sich an die Ladungsträgerkompensationszone anschließende n-Basis bzw. Driftzone 12. An die n-Basis 12 schließt sich eine p-Basis 14 an, in der ein n-Emitter 31 angeordnet ist. Der n-Emitter 31 ist durch eine Anodenelektrode 22 kontaktiert, wobei die p-Basis 14 abschnittsweise im Bereich sogenannter Anodenkurzschlüsse bis an die Anodenelektrode 22 reichen kann. Der p-Emitter 11 ist durch eine Kathodenelektrode 21 kontaktiert. Nicht dargestellt ist bei dem Thyristor gemäß 8 eine Zündstruktur. Diese Zündstruktur kann eine herkömmliche Thyristorzündstruktur sein.

Claims (14)

  1. Halbleiterbauelement, das aufweist: eine Anschlusszone (11), eine schwächer als die Anschlusszone (11) dotierte Driftzone (12) eines ersten Leitungstyps, einen Bauelementübergang zwischen der Driftzone (12) und einer weiteren Bauelementzone (14), und eine zwischen der Driftzone (12) und der Anschlusszone angeordnete Ladungsträgerkompensationszone (13) des ersten Leitungstyps, deren Dotierungskonzentration geringer ist als die der Anschlusszone (11), deren Dotierungskonzentration wenigstens abschnittsweise in Richtung der Anschlusszone (11) von einer minimalen Dotierungskonzentration zu einer maximalen Dotierungskonzentration zunimmt, wobei die minimale Dotierungskonzentration mehr als 1016 cm–3 beträgt, wobei die Ladungsträgerkompensationszone einen Bereich aufweist, in dem die Dotierung von 5·1016 cm–3 auf 2·1017 cm–3 ansteigt, wobei die Änderung der Dotierungskonzentration in diesem Bereich maximal 2·1021 cm–4 beträgt.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bei dem eine minimale Dotierungskonzentration der Ladungsträgerkompensationszone (13) zwischen 2·1016 cm–3 und 2·1017 cm–3 beträgt.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem eine minimale Dotierungskonzentration der Ladungsträgerkompensationszone (13) zwischen 5·1016 cm–3 und 1·1017 cm–3 beträgt.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine maximale Dotierungskonzentration der Ladungsträgerkompensationszone (13) zwischen 1·1018 cm–3 und 5·1018 cm–3 beträgt und die Ladungsträgerkompensationszone (13) in Richtung der Anschlusszone (11) maximal 2·1021 cm–4 beträgt.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Änderung der Dotierungskonzentration maximal 2·1020 cm–4 beträgt.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Abmessung der Ladungsträgerkompensationszone (13) in einer Richtung von der Driftzone (12) zu der Anschlusszone (11) zwischen 10 μm und 40 μm beträgt.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Änsprüche, bei der zwischen der Driftzone (12) und der Ladungsträgerkompensationszone (13) eine Feldstoppzone (15) des ersten Leitungstyps angeordnet ist, deren Dotierungskonzentration kleiner oder gleich der minimalen Dotierungskonzentration der Ladungsträgerkompensationszone (13) ist und deren Dotierungskonzentration größer als die Dotierungskonzentration der Driftzone ist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei der die Dotierungskonzentration der Feldstoppzone (15) wenigstens abschnittsweise in Richtung der Ladungsträgerkompensationszone (13) zunimmt.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das als Diode ausgebildet ist, bei der die Anschlusszone (11) eine erste Emitterzone bildet und bei der die weitere Bauelementzone (14) komplementär zu der Driftzone (12) dotiert ist und eine zweite Emitterzone (14) bildet.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das als Bipolartransistor ausgebildet ist, bei dem die Anschlusszone (11) eine Kollektorzone und die weitere Bauelementzone (14) komplementär zu der Driftzone (12) dotiert ist und eine Basiszone bildet und der weiterhin eine sich an die Basiszone (14) anschließende, komplementär zu der Basiszone (14) dotierte Emitterzone (31) aufweist.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das als MOS-Transistor ausgebildet ist, bei dem die Anschlusszone (11) eine Drainzone und die weitere Bauelementzone (14) komplementär zu der Driftzone (12) dotiert ist und eine Bodyzone bildet und der weiterhin aufweist: eine sich an die Bodyzone (14) anschließende, komplementär zu der Basiszone (14) dotierte Sourcezone (31), und eine benachbart zu der Bodyzone (14) angeordnete, gegenüber der Bodyzone dielektrisch isolierte Gateelektrode (32).
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Anschlusszone (11) komplementär zu der Driftzone (12) dotiert ist.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Bauelementzonen des ersten Leitungstyps n-dotierte Zonen sind.
  14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem n-Dotierstoffatome der Ladungsträgerkompensationszone wenigstens teilweise wasserstoffinduzierte Donatoren sind.
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