DE102009029641A1 - Selbstleitendes Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und einer Driftsteuerzone - Google Patents

Selbstleitendes Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und einer Driftsteuerzone Download PDF

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Abstract

Beschrieben ist ein selbstleitendes Halbleiterbauelement, das aufweist: eine Sourcezone und eine Drainzone eines ersten Leitungstyps und eine zwischen der Sourcezone und der Drainzone angeordnete Driftzone des ersten Leitungstyps, die schwächer als die Sourcezone und die Drainzone dotiert ist; eine Driftsteuerzone, die sich benachbart zu der Driftzone entlang der Driftzone erstreckt und die ein sourceseitiges und ein drainseitiges Ende aufweist, wobei das sourceseitige Ende an einen Driftsteuerzonenanschluss angeschlossen ist; ein Driftsteuerzonendielektrikum, das zwischen der Driftsteuerzone und der Driftzone angeordnet ist; eine Gleichrichteranordnung, die zwischen die Driftsteuerzone und die Drainzone geschaltet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement.
  • Ein Ziel bei der Entwicklung von Leistungstransistoren ist die Reduktion des spezifischen Einschaltwiderstandes Ron·A, wobei Ron den Einschaltwiderstand des Bauelements und A die zur Realisierung des Bauelements benötigte Chipfläche bezeichnet.
  • Ein Konzept zur Reduktion des Einschaltwiderstandes eines Leistungstransistors sieht vor, außer einer Gateelektrode, die zur Steuerung eines leitenden Kanals in einer Bodyzone dient, eine Driftsteuerzone vorzusehen. Diese Driftsteuerzone ist benachbart zu einer Driftzone angeordnet, durch ein Driftsteuerzonendielektrikum dielektrisch gegenüber der Driftzone isoliert und dient zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Driftzone entlang des Driftsteuerzonendielektrikums. Dieser leitende Kanal bewirkt eine deutlich Reduktion des Einschaltwiderstands des Bauelements im Vergleich zu Bauelementen ohne eine solche Driftsteuerzone. Ein solches Bauelement ist beispielsweise in der WO 2007/012490 beschrieben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein selbstleitendes Halbleiterbauelement mit einem geringen Einschaltwiderstand, und eine schaltbare Halbleiterbauelementanordnung mit einem selbstleitenden Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 und durch eine Halbleiterbauelementanordnung gemäß Anspruch 14 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein selbstleitendes Halbleiterbauelement, das aufweist: eine Sourcezone und eine Drainzone eines ersten Leitungstyps und eine zwischen der Sourcezone und der Drainzone angeordnete Driftzone des ersten Leitungstyps, die schwächer als die Sourcezone und die Drainzone dotiert ist; eine Driftsteuerzone, die sich benachbart zu der Driftzone entlang der Driftzone erstreckt und die ein sourceseitiges und ein drainseitiges Ende aufweist, wobei das sourceseitige Ende an einen Driftsteuerzonenanschluss angeschlossen ist; ein Driftsteuerzonendielektrikum, das zwischen der Driftsteuerzone und der Driftzone angeordnet ist; eine Gleichrichteranordnung, die zwischen die Driftsteuerzone und die Drainzone geschaltet ist.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft eine Halbleiterbauelementanordnung mit einem selbstleitenden Halbleiterbauelement und einem selbstsperrenden Halbleiterbauelement. Das selbstleitende Halbleiterbauelement dieser Halbleiterbauelementanordnung umfasst: eine Sourcezone und eine Drainzone eines ersten Leitungstyps und eine zwischen der Sourcezone und der Drainzone angeordnete Driftzone des ersten Leitungstyps, die schwächer als die Sourcezone und die Drainzone dotiert ist; eine Driftsteuerzone, die sich benachbart zu der Driftzone entlang der Driftzone erstreckt und die ein sourceseitiges und ein drainseitiges Ende aufweist, wobei das sourceseitige Ende an einen Driftsteuerzonenanschluss angeschlossen ist; ein Driftsteuerzonendielektrikum, das zwischen der Driftsteuerzone und der Driftzone angeordnet ist; eine Gleichrichteranordnung, die zwischen die Driftsteuerzone und die Drainzone geschaltet ist. Das selbstsperrende Halbleiterbauelement dieser Halbleiterbauelementanordnung umfasst einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke, dessen Laststrecke in Reihe zu der Driftzone des selbstleitenden Halbleiterbauelements geschaltet ist und dessen Ansteueranschluss an den Driftsteuerzonenanschluss des selbstleitenden Halbleiterbauelements gekoppelt ist.
  • Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Diese Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Aspekte dargestellt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
  • 1 veranschaulicht ein erstes Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements, das eine Driftzone und eine Driftsteuerzone aufweist, anhand eines vertikalen Querschnitts durch einen Halbleiterkörper.
  • 2 veranschaulicht ein Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements, das streifenförmige Driftzonen und Driftsteuerzonen aufweist, anhand eines horizontalen Querschnitts durch einen Halbleiterkörper.
  • 3 veranschaulicht ein Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements mit hexagonalen Driftzonen oder hexagonalen Driftsteuerzonen anhand eines horizontalen Querschnitts durch einen Halbleiterkörper.
  • 4 zeigt ein elektrisches Schaltsymbol des selbstleitenden Halbleiterbauelements.
  • 5 veranschaulicht ein Beispiel einer Halbleiterbauelementanordnung, die ein selbstleitendes und ein selbstsperrendes Halbleiterbauelement aufweist, anhand eines elektrischen Ersatzschaltbilds.
  • 6 veranschaulicht ein Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements mit einer streifenförmigen Driftsteuerzone.
  • 7 veranschaulicht ein Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements, bei dem die Driftzone mittels einer komplementär zu der Driftzone dotierten Halbleiterzone an einen Sourceanschluss angeschlossen ist.
  • 8 veranschaulicht verschiedene Varianten des in 7 dargestellten Halbleiterbauelements anhand von horizontalen Querschnitten durch einen Halbleiterkörper.
  • 9 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements anhand eines horizontalen Querschnitts durch einen Halbleiterkörper.
  • 10 veranschaulicht ein Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements, das eine integrierte Kapazität aufweist.
  • 11 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements mit einer integrierten Kapazität.
  • 12 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements anhand eines Querschnitts durch einen Halbleiterkörper.
  • 13 veranschaulicht eine Realisierung eines Gleichrichterelements als integriertes Bauelement.
  • 1 zeigt ein Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements. Dieses Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit zwei einander abgewandten Seiten, die nachfolgend auch als Vorder- und Rückseite des Halbleiterkörpers 100 bezeichnet werden. 1 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt dieses Halbleiterkörpers 100, also einen Querschnitt in einer Schnittebene, die senkrecht zu der Vorder- und Rückseite verläuft. Der Halbleiterkörper 100 besteht beispielsweise aus Silizium.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst eine Sourcezone 12 und eine Drainzone 13 eines ersten Leitungstyps und eine zwischen der Sourcezone 12 und der Drainzone 13 angeordnete Driftzone 11 des ersten Leitungstyps, die niedriger dotiert ist als die Sourcezone 12 und die Drainzone 13. Die Dotierungskonzentrationen der Sourcezone 12 und der Drainzone 13 liegen beispielsweise im Bereich zwischen 1·1017 cm–3 und 1·1020 cm–3, die Dotierungskonzentration der Driftzone 11 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1·1012 cm–3 und 1·1016 cm–3. Eine Richtung, in der die Sourcezone 12 und die Drainzone 13 beabstandet zueinander angeordnet sind, definiert bei diesem Bauelement eine Stromflussrichtung. Die Abmessung der Driftzone 11 in dieser Stromflussrichtung wird nachfolgend als Länge der Driftzone 11 bezeichnet.
  • Benachbart zu der Driftzone 11 ist eine Driftsteuerzone 21 angeordnet, die sich wenigstens entlang eines Teils der Länge der Driftzone 11 in Stromflussrichtung erstreckt und die durch ein Driftsteuerzonendielektrikum 31 dielektrisch gegenüber der Driftzone 11 isoliert ist. Die Driftsteuerzone 21 kann vom selben Leitungstyp wie die Driftzone 11 sein, kann jedoch auch komplementär zu der Driftzone 11 dotiert sein. Eine Dotierungskonzentration der Driftsteuerzone 21 liegt beispielsweise im Bereich der Dotierungskonzentration der Driftzone 11 und liegt insbesondere im Bereich zwischen 1·1012 cm–3 und 1·1016 cm–3.
  • Die Driftsteuerzone 21 weist in Stromflussrichtung ein sourceseitiges Ende und ein drainseitiges Ende auf, wobei das sourceseitige Ende im Bereich der Sourcezone 12 und das drainseitige Ende im Bereich der Drainzone 13 angeordnet ist. Die Driftsteuerzone 21 ist mittels eines Gleichrichterelements 41 an die Drainzone 13 angeschlossen. In dem dargestellten Beispiel ist dieses Gleichrichterelement 41 an das drainseitige Ende der Driftsteuerzone 21 angeschlossen. Dieses Gleichrichterelement 41 ist in 1 lediglich anhand seines elektrischen Schaltsymbols dargestellt. Dieses Gleichrichterelement 41 kann auf beliebige Weise innerhalb desselben Halbleiterkörpers 100 wie die Driftzone 11 und die Driftsteuerzone 21 realisiert sein. Der Halbleiterkörper 100 kann hierzu weitere Halbleiterzonen bzw. Halbleiterschichten aufweisen, die in 1 nicht dargestellt sind. Das Gleichrichterelement 41 kann jedoch auch als externes Halbleiterbauelement, d. h. außerhalb des Halbleiterkörpers 100 mit der Driftzone 11 und der Driftsteuerzone 21, realisiert sein. Dieses Gleichrichterelement 41 ist so gepolt, dass bei leitendem Bauelement, d. h. während eines nachfolgend noch zu erläuternden Betriebszustandes, bei dem die Driftsteuerzone 21 die Ausbildung eines leitenden Kanals in der Driftzone 11 entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 bewirkt, ein Entladen der Driftsteuerzone 21 in Richtung der Drainzone 13 verhindert wird.
  • Die Driftsteuerzone 21 ist an Ihrem sourceseitigen Ende mittels einer ersten Anschlusszone 22, die komplementär zu der Driftzone 11 dotiert ist an einen Driftsteuerzonenanschluss DC angeschlossen, der in 1 lediglich schematisch dargestellt ist. An ihrem drainseitigen Ende ist die Driftsteuerzone 21 mittels einer zweiten Anschlusszone 23, die vom selben Leitungstyp wie die Driftsteuerzone 21, jedoch höher als diese dotiert ist, an das Gleichrichterelement 41 angeschlossen. Diese zweite Anschlusszone 23 ist optional und dient im Wesentlichen dazu, einen ohmschen Anschluss des Gleichrichterelements 41 an die Driftsteuerzone 21 zu bewirken, wenn das Gleichrichterelement nicht als integriertes Bauelement realisiert ist, das sich unmittelbar an die Driftsteuerzone 21 anschließt.
  • 13 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem das Gleichrichterelement als integriertes Bauelement im Bereich des drainseitigen Endes der Driftsteuerzone 21 realisiert ist. Zur Realisierung dieses Gleichrichterelements sind zwei komplementär zueinander dotierte Halbleiterzonen 411, 412 vorhanden, zwischen denen optional eine schwächer dotierte Halbleiterzone 413, die eine Basiszone bildet vorhanden ist. Die beiden komplementär dotierten Zonen 411, 412 oder die Basiszone 413 und eine der komplementär dotierten Zonen 411 bzw. 412 bilden einen pn-Übergang zwischen der Drainzone 13 bzw. dem Drainanschluss D und der Driftsteuerzone 21. Bei einer solchen Realisierung des Gleichrichterelements 41 kann ebenfalls eine erste Anschlusszone 21 zwischen den Bauelementzonen des Gleichrichterelements 41 und der Driftsteuerzone 21 vorhanden sein. Die zweite Anaschlusszone 23 dient in diesem Fall als Kanalstopper (Channelstopper), der verhindert, dass Ladungsträger aus der Driftsteuerzone – d. h. Löcher bei einem n-leitenden Bauelement – in den Bereich des pn-Übergangs gelangen können.
  • Die zuvor erläuterten Bauelementzonen sind bei dem in 1 dargestellten Halbleiterbauelement so angeordnet, dass die Stromflussrichtung in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100, also senkrecht zu der Vorder- und der Rückseite verläuft. Diese Bauelementgeometrie ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, diese Bauelementzonen so anzuordnen, dass eine Stromflussrichtung des Bauelements in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 verläuft.
  • Die Sourcezone 12 und die erste Anschlusszone 22 können sich bei dem dargestellten Bauelement unmittelbar an die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 anschließen. Ein Sourceanschluss S, der die Sourcezone 12 kontaktiert sowie der Driftsteuerzonenanschluss DC, der die erste Anschlusszone 22 kontaktiert, sind beispielsweise durch Metallisierungen 15, 25 gebildet, die im Bereich der Vorderseite 101 auf die Sourcezone 12 und die erste Anschlusszone 22 aufgebracht sind. Die Drainzone 13 und die zweite Anschlusszone 23 der Driftsteuerzone 21 können im Bereich der Rückseite des Halbleiterkörpers 100 angeordnet sein. Zwischen diesen Bauelementzonen und der Rückseite des Halbleiterkörpers können jedoch noch weitere Halbleiterschichten vorhanden sein (nicht dargestellt), in denen beispielsweise das Gleichrichterelement 41 realisiert ist. Darüber hinaus kann im Bereich der Rückseite eine Drainelektrode (nicht dargestellt) vorhanden sein, die die Drainzone 13 kontaktiert.
  • Das Halbleiterbauelement kann eine Vielzahl gleichartiger Bauelementstrukturen mit jeweils einer Driftzone 11, einer Sourcezone 12, einer Drainzone 13, einer Driftsteuerzone 21 und einem Driftsteuerzonendielektrikum 31 sowie einem Gleichrichterelement 41 aufweisen. Diese Bauelementstrukturen werden nachfolgend als Bauelementzellen bezeichnet. Diese einzelnen Bauelementzellen sind parallel geschaltet, indem die Sourcezonen 12 der einzelnen Bauelementzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, die Drainzonen 13 der einzelnen Bauelementzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die Driftsteuerzonenanschlüsse der einzelnen Bauelementzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Solche weiteren Bauelementzellen sind in 1 gestrichelt dargestellt.
  • Bezugnehmend auf 2, die einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 in einer in 1 dargestellten lateralen Schnittebene A-A zeigt, können die Driftzone 11 – und entsprechend die Sourcezone 12 und die Drainzone 13 -, die Driftsteuerzone 21 und das zwischen der Driftzone 11 und der Driftsteuerzone 21 angeordnete Driftsteuerzonendielektrikum 31 in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers langgestreckt bzw. streifenförmig ausgebildet sein. Die Bauelement zellen mit je einer Driftzone 11 und einer Driftsteuerzone 21 sowie einem dazwischen liegenden Driftsteuerzonendielektrikum 31 sind in diesem Fall sogenannte ”Streifenzellen”.
  • Selbstverständlich können die Driftzone 11 und die Driftsteuerzone 21 auch beliebige andere Bauelementgeometrien besitzen. 3 zeigt einen horizontalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 100 eines weiteren Halbleiterbauelements. Bei diesem Halbleiterbauelement besitzen die Driftzonen 11 in horizontaler Richtung eine sechseckförmige (hexagonale) Geometrie und sind in horizontaler Richtung vollständig von dem Driftsteuerzonendielektrikum 31 umgeben, das in diesem Fall die Geometrie eines hexagonalen Rings besitzt. Bei diesem Bauelement sind mehrere solcher hexagonaler Driftzonen 11 vorhanden, die beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Driftsteuerzone 21 ist hierbei zwischen den einzelnen Driftzonen 11 angeordnet, besitzt eine gitterförmige Geometrie und ist durch die Driftsteuerzonendielektrika 31, die die Driftzonen 11 umgeben, gegenüber den Driftzonen 11 isoliert. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Driftsteuerzonen 21 als hexagonale Bauelementzonen zu realisieren. Die Driftzone 11 ist in diesem Fall zwischen den einzelnen hexagonalen Driftsteuerzonen 21 angeordnet und durch die Driftsteuerzonendielektrika 31 gegenüber den Driftsteuerzonen 21 isoliert. Die in 3 in Klammern angegebenen Bezugszeichen beziehen sich auf diese zweite Variante.
  • Anstelle hexagonaler Driftzonen 11 bzw. Driftsteuerzonen 21 können diese Bauelementzonen auch mit beliebigen anderen Geometrien realisiert sein und können beispielsweise rechteckförmig, insbesondere quadratisch, rund oder beliebig vieleckig sein. Die Anordnung dieser Driftzonen 11 und Driftsteuerzonen 21 kann auch von dem gezeigten hexagonalen Raster abweichen und beispielsweise in einem rechteckigen, insbesondere quadratischen, oder einem beliebig anderem Schema erfolgen.
  • 4 zeigt das Schaltsymbol des selbstleitenden Halbleiterbauelements. Dieses Schaltsymbol basiert auf dem Schaltsymbol eines selbstleitenden MOS-Transistors und weist den Sourceanschluss S und den Drainanschluss D als Laststreckenanschlüsse und den Driftsteuerzonenanschluss DC auf. Eine Laststrecke dieses Bauelements verläuft zwischen dem Drainanschluss D und dem Sourceanschluss S. Das in 1 dargestellte Gleichrichterelement 41 zwischen dem Drainanschluss D und der Driftsteuerzone 21 ist in 4 ebenfalls dargestellt.
  • Die Funktionsweise dieses Bauelements wird nachfolgend erläutert. Zu Zwecken der nachfolgenden Erläuterung sei angenommen, dass das Bauelement ein n-leitendes Bauelement ist. In diesem Fall sind die Driftzone 11 sowie die Source- und die Drainzone 12, 13 n-dotierte Halbleiterzonen. Das Bauelement kann selbstverständlich auch als p-leitendes Bauelement realisiert sein. In diesem Fall sind die Driftzone 11 sowie die Source- und die Drainzone 12, 13 p-dotierte Halbleiterzonen. Im Übrigen sind die Dotierungstypen der nachfolgend noch erläuterten Halbleiterzonen bei einem p-leitenden Bauelement komplementär zu dotieren. Darüber hinaus sind die Polaritäten der in der nachfolgenden Erläuterung genannten Spannungen bei einem p-leitenden Bauelement zu vertauschen.
  • Wie bereits zuvor erläutert, dient die Driftsteuerzone 21 zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Driftzone 11 entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31. Das Bauelement leitet, wenn eine positive Spannung zwischen dem Drainanschluss D und dem Sourceanschluss S anliegt und wenn sich die Driftsteuerzone 21 durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Potenzials an den Driftsteuerzonenanschluss DC auf einem elektrischen Potenzial befindet, das höher ist bzw. positiv ist gegenüber dem elektrischen Potenzial an dem Drainanschluss D. Das Bauelement leitet bereits dann, wenn das elektrische Potenzial an dem Driftsteuerzonenanschluss DC dem Sourcepotenzial, d. h. dem Potenzial an dem Sourceanschluss S, ent spricht. In diesem Fall reicht die Potenzialdifferenz zwischen dem elektrischen Potenzial der Driftzone 11 und dem der Driftsteuerzone 21 jedoch nicht aus, um in der Driftzone 11 einen Akkumulationskanal entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 auszubilden, so dass der Einschaltwiderstand in diesem Fall höher ist, als in dem zuvor erläuterten Fall, bei dem sich ein Akkumulationskanal ausbildet. Das drainseitige Ende der Driftsteuerzone 21 liegt in diesem Fall auf dem elektrischen Potenzial des Drainanschlusses D abzüglich des Durchlasswiderstandes des Gleichrichterelements 41. Das elektrische Potenzial in der Driftsteuerzone 21 ist in Stromflussrichtung in etwa konstant bzw. folgt ungefähr dem elektrischen Potenzial in der Driftzone 11, sofern sich in der Driftzone 11 eine Raumladungszone aufgebaut hat.
  • Die Driftsteuerzone 21 ist bei einem n-leitenden Bauelement beispielsweise eine n-dotierte Halbleiterzone. Zur Erzeugung eines gegenüber dem elektrischen Potenzial der Driftzone 11 positiven elektrischen Potenzials auf der in der Driftsteuerzone 21 gelegenen Seite des Akkumulationsdielektrikums, und damit zur Ausbildung eines Akkumulationskanals entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 in der Driftzone 11, werden zusätzlich p-Ladungsträger bzw. Löcher in der Driftsteuerzone 21 benötigt, da die positive Ladung der Donatorrümpfe der Driftsteuerzone 21 nicht hoch genug ist. Diese Löcher werden beispielsweise aus der komplementär zu der Driftsteuerzone 21 dotierten ersten Anschlusszone 22 bereitgestellt, die zwischen den Driftsteuerzonenanschluss DC und die Driftsteuerzone 21 geschaltet ist. Ein zwischen dieser ersten Anschlusszone 22 und der Driftsteuerzone 21 gebildeter pn-Übergang verhindert außerdem einen Stromfluss zwischen dem Drainanschluss D und dem Driftsteuerzonenanschluss DC dann, wenn das elektrische Potenzial an dem Drainanschluss D höher ist als das elektrische Potenzial an dem Driftsteuerzonenanschluss DC.
  • Das Bauelement sperrt, wenn an dem Driftsteuerzonenanschluss DC ein elektrisches Potenzial anliegt, das um den Wert einer eine Ausräumspannung unterhalb des Sourcepotenzials liegt.
  • In diesem Fall wird ein gegebenenfalls vorhandener Akkumulationskanal entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 abgebaut und die Driftzone 11 wird in einem Bereich, der sich an die Sourcezone 12 anschließt, in lateraler Richtung ausgehend von dem Driftsteuerzonendielektrikum 31 ausgeräumt, wodurch eine leitende Verbindung zwischen der Sourcezone 12 und der Drainzone 13 unterbrochen wird. Dieses Unterbrechen erfolgt bei Potenzialen an dem Driftsteuerzonenanschluss DC, die etwa um die Höhe der gerade anliegenden Drainspannung unterhalb der genannten Ausräumspannung liegen. In Stromflussrichtung dehnt sich dieser ausgeräumte Bereich der Driftzone 11 umso weiter in Richtung der Drainzone 13 aus, je höher eine zwischen Drain D und Source S anliegende positive Spannung ist. Dieser ausgeräumte Bereich nimmt die zwischen Drain D und Source S anliegende Spannung auf, wobei das elektrische Potenzial innerhalb dieses ausgeräumten Bereiches in Richtung der Drainzone 13 zunimmt. Das Ausräumen eines Abschnitts der Driftzone 11, der sich wenigstens über einen Teil der Länge der Driftzone 11 erstreckt, bzw. das Anliegen der Drain-Source-Spannung über diesem ausgeräumten Bereich ist gleichbedeutend mit der Ausbildung einer Raumladungszone in diesem ausgeräumten Bereich dieser Driftzone 11. Bei sperrendem Bauelement bildet sich eine Raumladungszone auch in der Driftsteuerzone 21 aus und zwar ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Driftsteuerzone 21 und der ersten Anschlusszone 22. Die sich in der Driftsteuerzone 21 ausbreitende Raumladungszone steuert – davon ausgehend, dass das elektrische Potenzial an dem Driftsteuerzonenanschluss vorgegeben ist – die Ausbreitung der Raumladungszone in der Driftzone 11.
  • Der pn-Übergang zwischen der Driftsteuerzone 21 und der ersten Anschlusszone 22 ist in Sperrrichtung gepolt, wenn das Drainpotenzial, also das Potenzial an dem Drainanschluss D, höher ist als das elektrische Potenzial an dem Driftsteuerzonenanschluss DC. Dies ist immer dann der Fall, wenn zwischen Drain D und Source S eine positive Spannung anliegt und wenn das elektrische Potenzial an dem Driftsteuerzonenanschluss DC kleiner ist als das elektrische Potenzial an dem Sourceanschluss S. Die Driftsteuerzone 21 und die Driftzone 11 sind geeignet realisiert, so dass sich eine Raumladungszone ausbilden kann. Die Driftzone 11 und die Driftsteuerzone 21 bestehen hierzu beispielsweise aus einem monokristallinen oder einem wenigstens annähernd monokristallinen Halbleitermaterial und besitzen unter Berücksichtigung der Länge der Driftzone 11 und der Driftsteuerzone 21 eine ausreichend niedrige Dotierung, so dass sich die Raumladungszone über weite Abschnitte, d. h. über wenigstens 50% oder wenigstens 80% der Länge der Driftzone 11 in der Driftsteuerzone 21 ausbreiten kann, bevor die Spannungsfestigkeit des Bauelements erreicht ist. Selbstverständlich können die Abmessungen der Driftsteuerzone 21 – und damit auch der Driftzone 11 – so gewählt sein, dass sich die Raumladungszone weniger als über die genannten 50% oder 80% der Länge ausdehnt. Hieraus resultiert allerdings ein höherer Einschaltwiderstand.
  • Die sich bei sperrendem Bauelement annähernd gleichförmig in der Driftzone 11 und der Driftsteuerzone 21 ausbreitenden Raumladungszonen begrenzen die über dem Driftsteuerzonendielektrikum 31 anliegenden elektrischen Spannungen. Die maximale Spannungsdifferenz tritt dabei am sourceseitigen Ende der Driftzone 21 auf und entspricht der Potenzialdifferenz zwischen dem elektrischen Potenzial am Sourceanschluss S und dem elektrischen Potenzial am Driftsteuerzonenanschluss DC. Diese Spannungsdifferenz ist abhängig von der Spannungsfestigkeit des Bauelements und liegt beispielsweise im Bereich von 10 bis 15 V bei einer Spannungsfestigkeit von einigen 100 V, wie z. B. 600 V. Bei Bauelementen mit einer niedrigeren Spannungsfestigkeit ist diese Spannungsdifferenz entsprechend geringer. Die Driftzone 11 ist also so dimensioniert, dass bei sperrendem Bauelement eine Spannung von einigen hundert V ü ber der Driftzone 11 anliegen kann. Das Driftsteuerzonendielektrikum 31 muss hinsichtlich seiner Spannungsfestigkeit nur so dimensioniert sein, dass es die Differenzspannung zwischen Driftsteuerzonenanschluss DC und Sourceanschluss S aushält. Aufgrund dieser vergleichsweise geringen Spannungsfestigkeit des Driftsteuerzonendielektrikums 31 kann das Driftsteuerzonendielektrikum 31 vergleichsweise dünn ausgeführt sein. Hierdurch genügt eine vergleichsweise geringe Potenzialdifferenz zwischen dem elektrischen Potenzial der Driftzone und dem elektrischen Potenzial der Driftsteuerzone 21 um einen leitenden Kanal entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 in der Driftzone 11 auszubilden.
  • Eine leitende und sperrende Ansteuerung erfolgt bei dem dargestellten Bauelement ausschließlich über die Driftsteuerzone 21 bzw. den Driftsteuerzonenanschluss DC. Dieses Bauelement ist im Vergleich zu Bauelementen, die zusätzlich eine Gateelektrode aufweisen, einfacher und damit kostengünstiger realisierbar.
  • Bezugnehmend auf 1 ist die erste Anschlusszone 22 insbesondere so realisiert, dass sie die Driftzone 11 teilweise überlappt, d. h. bezogen auf das in 1 dargestellte Beispiel, dass sich die erste Anschlusszone ausgehend von der ersten Seite 101 weiter als die Sourcezone 12 in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckt und dadurch über das Driftsteuerzonendielektrikum 31 hinweg benachbart zu Abschnitten der Driftzone 11 angeordnet ist. Hierdurch wird verhindert, dass sich bei sperrendem Bauelement gesteuert durch das elektrische Potenzial der Sourcezone 12 ein leitender Kanal über die gesamte Länge der ersten Anschlusszone 22 zwischen der Driftsteuerzone 21 und dem Driftsteuerzonenanschluss DC ausbildet. Ein solcher leitender Kanal würde den bei sperrendem Bauelement sperrenden pn-Übergang zwischen der ersten Anschlusszone 22 und der Driftsteuerzone 21 wirkungslos machen. Der Überlapp zwischen der höher als die Driftsteuerzone 21 ersten Anschlusszone 22 und einem Abschnitt der Driftzone 11, der sich unterhalb der Sourcezone befindet, ermöglicht außerdem ein Ausräumen dieses Abschnitts der Driftsteuerzone 11 bei Anlegen eines geeigneten Ausräumpotenzials an den Driftsteuerzonenanschluss DC. Die höher dotierte erste Anschlusszone bleibt hierbei auf diesem elektrischen Potenzial. Die Dotierungskonzentration der ersten Anschlusszone 22 ist dabei so hoch, dass diese weder in lateraler noch in vertikaler Richtung vollständig ausräumbar ist.
  • 5 veranschaulicht anhand eines elektrischen Ersatzschaltbildes eine Anwendung des zuvor erläuterten selbstleitenden Halbleiterbauelements 1 in einer Schaltungsanordnung zum Schalten einer elektrischen Last Z. Diese Schaltungsanordnung weist außer dem selbstleitenden Halbleiterbauelement 1 ein selbstsperrendes Halbleiterbauelement 2 auf, das in dem dargestellten Beispiel als selbstsperrender MOS-Transistor ausgebildet ist. Dieser selbstsperrende Transistor weist einen Gateanschluss G als Ansteueranschluss sowie eine zwischen einem Drainanschluss D und einem Sourceanschluss S gebildete Laststrecke auf. Das selbstleitende Halbleiterbauelement 1 und das selbstsperrende Halbleiterbauelement 2 sind Teil einer Kaskodenschaltung, in der die Laststrecken der beiden Bauelemente 1, 2 in Reihe zueinander geschaltet sind. Eine Ansteuerung des selbstleitenden Halbleiterbauelements 1 erfolgt bei dieser Schaltungsanordnung über den Ansteueranschluss G des selbstsperrenden Bauelements 2. Ein Ansteuersignal S zur leitenden oder sperrenden Ansteuerung des selbstsperrenden Bauelements 2 und damit auch des selbstleitenden Bauelements 1 wird beispielsweise durch eine Ansteuerschaltung (nicht näher dargestellt) bereitgestellt. Der Driftsteuerzonenanschluss DC ist an den Ansteueranschluss G des selbstsperrenden Bauelements 1 gekoppelt.
  • Das selbstleitende Halbleiterbauelement 1 und das selbstsperrende Bauelement 2 dieser Schaltungsanordnung können in nicht näher dargestellter Weise in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sein. Diese Halbleiterbauelemente können je doch auch in separaten Halbleiterkörpern bzw. Chips integriert sein, wie beispielsweise in Chip-on-Chip-Technologie oder in Chip-by-Chip-Technologie in einem gemeinsamen Chipgehäuse angeordnet sein können.
  • In dem Beispiel gemäß 5 ist zwischen den Ansteueranschluss G und den Driftsteuerzonenanschluss DC ein Gleichrichterelement 6, beispielsweise eine Diode, geschaltet. Dieses Gleichrichterelement ist optional vorhanden und dient zusammen mit einer ebenfalls optional vorhandenen Kapazität 5, die zwischen den Driftsteuerzonenanschluss DC und eine Klemme für ein Bezugspotenzial, in dem dargestellten Beispiel: das Sourcepotenzial des selbstsperrenden Bauelements 2, geschaltet ist, zur Reduktion von Schaltverlusten, was nachfolgend noch erläutert wird. Wird auf die Kapazität 5 verzichtet, so kann auch auf das Gleichrichterelement 6 verzichtet werden. In diesem Fall ist der Driftsteuerzonenanschluss DC des selbstleitendenden Bauelements 1 unmittelbar an den Ansteueranschluss G des selbstsperrenden Bauelements 2 angeschlossen.
  • In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist der Driftsteuerzonenanschluss DC nicht mit dem Ansteueranschluss G sondern mit einer festen Spannung verbunden. Die Höhe der Spannung ist dabei so zu wählen, dass bei sperrend angesteuertem Bauelement 2 zum Sourceanschluss S des selbstleitenden Bauelements 1 noch mindestens die Ausräumspannung erreicht werden kann. Auch in dieser alternativen Ausführungsform wird die Kaskodenschaltung über den Gateanschluss des selbstsperrenden Bauelements 2 gesteuert.
  • Die Kaskodenschaltung mit dem selbstleitenden und dem selbstsperrenden Bauelement 1 dient beispielsweise zum Schalten einer elektrischen Last Z. Die Reihenschaltung der Laststrecken der beiden Bauelemente 1, wird in diesem Fall in Reihe zu der Last Z zwischen Klemmen für ein positives und ein negatives Versorgungspotenzial V+, V– geschaltet. Zum besseren Verständnis der nachfolgend erläuterten Funktionsweise der Schaltung ist in 5 die Last Z, die eine beliebige elektrische Last sein kann, ebenfalls dargestellt. Die Schaltungsanordnung mit den beiden Halbleiterbauelementen 1, 2 funktioniert in dem in 5 dargestellten Beispiel als Low-Side-Schalter. In diesem Fall ist die Schaltungsanordnung zwischen die Last Z und die Klemme für das negative Versorgungspotenzial V– geschaltet. Selbstverständlich kann die Schaltungsanordnung jedoch auch als High-Side-Schalter eingesetzt werden und ist in diesem Fall zwischen die Klemme für das positive Versorgungspotenzial und die Last Z geschaltet.
  • Die Funktionsweise der Schaltungsanordnungen wird nachfolgend für die in 5 dargestellte Verwendung der Schaltungsanordnung als Low-Side-Schalter erläutert. Für diese Erläuterung sei angenommen, dass das selbstleitende Bauelement 1 – wie zuvor erläutert – ein n-leitendes Bauelement ist und dass das selbstsperrende Bauelement 2 ebenfalls ein n-leitendes Halbleiterbauelement ist. Dieses selbstsperrende Halbleiterbauelement 2 leitet, wenn gesteuert durch das Ansteuersignal So das elektrische Potenzial am Ansteueranschluss G auf einen Wert ansteigt, der wenigstens um den Wert einer Einsatzspannung des Bauelements höher ist als das elektrische Potenzial am Sourceanschluss S, wenn also eine Gate-Source-Spannung VG-S höher ist als die Einsatzspannung des Bauelements 2. Das Ansteuersignal SON ist beispielsweise so gewählt, dass diese Gate-Source-Spannung im Bereich von 10 V bis 15 V liegt. Das elektrische Potenzial an dem Driftsteuerzonenanschluss DC des selbstleitenden Bauelements 1 entspricht entweder dem elektrischen Potenzial am Ansteueranschluss G des selbstsperrenden Bauelements 2 oder liegt um den Wert der Durchlassspannung des Gleichrichterelements 6 unterhalb dieses elektrischen Potenzials. Leitet das selbstsperrende Bauelement 2 so sinkt das Sourcepotenzial des selbstleitenden Bauelements 1 ab. Die Gate-Source-Spannung VG-S ist so gewählt, dass eine Laststreckenspannung VD-S des selbstsperrenden Bauelements 2 wesentlich kleiner ist als die Gate-Source-Spannung VG-S. Diese Laststreckenspannung VD-S be trägt beispielsweise weniger als 5 V. Das Sourcepotenzial des selbstleitenden Halbleiterbauelements 1 sinkt dadurch so weit ab, dass der Driftsteuerzonenanschluss DC auf einem positiven elektrischen Potenzial im Vergleich zum Sourcepotenzial des selbstleitenden Bauelements 1 liegt. Hierdurch bildet sich in dem selbstleitenden Bauelement 1 – wie zuvor erläutert – entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 ein Akkumulationskanal aus, so dass auch das selbstleitende Bauelement 1 leitend angesteuert wird. Für eine Spannung VDC-S zwischen dem Driftsteuerzonenanschluss DC und dem Sourceanschluss S des selbstleitenden Bauelements 1 gilt in dem dargestellten Beispiel: VDC-S = VG-S – VD-S – (V6) (1)
  • VG-S bezeichnet hierbei die Gate-Source-Spannung und V6 bezeichnet die Durchlassspannung des Gleichrichterelements 6. Diese Spannung steht in Gleichung (1) in Klammer, um anzudeuten, dass diese Spannung nur dann zu berücksichtigen, wenn das Gleichrichterelement 6 auch vorhanden ist.
  • Das selbstsperrende Bauelement 2 sperrt, wenn bedingt durch das Ansteuersignal S die Gate-Source-Spannung VG-S unter den Wert der Einsatzspannung absinkt oder zu Null wird. Dadurch steigt zunächst die Laststreckenspannung VD-S des selbstsperrenden Bauelements 2. Bei Vorhandensein des Gleichrichterelements 6 kann das elektrische Potenzial am Driftsteuerzonenanschluss DC noch dem vorherigen positiven Ansteuerpotenzial entsprechen. Mit zunehmendem Anstieg der Laststreckenspannung VD-S wird die Spannung zwischen dem Driftsteuerzonenanschluss DC und dem Sourceanschluss S des selbstleitenden Bauelements 1 jedoch geringer und wird schließlich so stark negativ, bis das selbstleitende Bauelement 1 vollständig sperrt. Ist das Gleichrichterelement 6 nicht vorhanden, so wird diese Spannung VDC-S unmittelbar mit sperrender Ansteuerung des selbstsperrenden Bauelements 2 Null und bei Ansteigen der Laststreckenspannung VD-S des selbstsperrenden Bauelements 2 negativ.
  • Im zuerst genannten Fall muss die Laststreckenspannung VD-S des selbstsperrenden Bauelements 2 so weit ansteigen, dass sie der Summe aus der in Gleichung (1) angegebenen Ansteuerspannung VDC-S und dem Betrag der zur sperrenden Ansteuerung des selbstleitenden Bauelements 1 erforderlichen Ausräumspannung bzw. negativen Ansteuerspannung entspricht. Die negative Spannung zwischen dem Driftsteuerzonenanschluss DC und dem Sourceanschluss S des selbstleitenden Bauelements 1, die zur sperrenden Ansteuerung dieses Bauelements 1 erforderlich ist, entspricht hinsichtlich ihres Betrags beispielsweise der zur leitenden Ansteuerung des selbstsperrenden Bauelements 2 erforderlichen Gate-Source-Spannung VG-S. Die Laststreckenspannung VD-S über dem selbstsperrenden Bauelement 2 steigt somit beispielsweise etwa um den Wert der zweifachen Ansteuerspannung an, bevor das selbstleitende Bauelement 1 vollständig sperrt und den Rest der zwischen den Versorgungspotenzialanschlüssen anliegenden Spannung übernimmt. Diese Spannung kann bis zu einigen hundert Volt oder mehr betragen. Die Spannungsfestigkeit des selbstsperrenden Bauelements 2 muss hingegen nur so hoch sein, dass sie – bezogen auf das dargestellte Beispiel – in etwa dem Doppelten der Ansteuerspannung VG-S entspricht, d. h. beispielsweise etwa zwischen 20 und 30 V. Wird auf das Gleichrichterelement 6 verzichtet, so kann die Spannungsfestigkeit des sperrenden Bauelements 2 sogar geringer sein und muss in diesem Fall nur etwa dem Betrag der negativen Spannung entsprechen, die zur sperrenden Ansteuerung des selbstleitenden Bauelements 1 erforderlich ist.
  • Wie zuvor bereits erläutert wurde, wird die Driftsteuerzone des selbstleitenden Bauelements 1 positiv geladen, wenn das Bauelement ein n-leitendes Bauelement ist. Ladungsträger, die erforderlich sind, um das Bauelement erstmalig leitend anzusteuern, werden bei der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung von einer an den Ansteueranschluss G des selbstsperrenden Bauelements 2 angeschlossenen Ansteuerschaltung bereitgestellt. Bei sperrend angesteuertem Bauelement werden diese Ladungsträger über den Driftsteuerzonenanschluss DC aus der Driftsteuerzone (21 in 1) abgeführt. Diese Ladungsträger können in der optional vorhandenen Kapazität 5 zwischengespeichert werden, so dass diese Ladungsträger nicht bei jedem erneuten Einschalten des selbstleitenden Bauelements 1 neu zur Verfügung gestellt werden müssen. Hierdurch können die Schaltverluste der Schaltungsanordnung gering gehalten werden. Das optional vorhandene Gleichrichterelement 6 verhindert, dass die aus der Driftsteuerzone des selbstleitenden Bauelements 1 abgeführten Ladungsträger über den Ansteueranschluss des selbstsperrenden Bauelements 2 abfließen und ermöglicht so die Zwischenspeicherung dieser Ladungsträger in der Kapazität 5.
  • Bei sperrend angesteuertem Bauelement werden in der Driftsteuerzone thermisch Ladungsträgerpaare, also Elektronen und Löcher generiert. Die Löcher können bei einer n-dotierten Driftsteuerzone 21 und einer p-dotierten Anschlusszone 22 über diese Anschlusszone 22 abfließen. Die Elektronen können über das Gleichrichterelement 41 an die Drainzone abgeleitet werden. Dieses Gleichrichterelement 41 verhindert somit auch, dass Elektronen in der Driftsteuerzone 21 akkumuliert werden, die langfristig die elektrische Funktion des Bauelements beeinträchtigen können.
  • In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass dieses Gleichrichterelement 41 nicht notwendigerweise direkt an das drainseitige Ende der Driftsteuerzone 21 angeschlossen sein muss. 6 veranschaulicht einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements, das streifenförmige Driftzonen 11 und Driftsteuerzonen 21 aufweist in einer in 2 dargestellten Schnittebene B-B. 6 zeigt den Querschnitt durch das Bauelement in einem Randbereich 102 des Halbleiterkörpers. Der Randbereich ist ein Bereich des Halbleiterkörpers, der sich in lateraler Richtung an eine Randfläche 101 anschließt. Die Driftsteuerzone 21 ist hierbei mittels einer weiteren Dielektrikumsschicht 32, die entsprechend des Driftsteuerzonendielektrikums realisiert sein kann, gegenüber dem Randbereich 102 dielektrisch isoliert. Die Anschlusszone 22 endet in lateraler Richtung beabstandet zu dieser weiteren Dielektrikumsschicht.
  • Das Bezugszeichen 16 bezeichnet in 6 eine Drainelektrode, die beispielsweise aus einem Metall oder einem hochdotierte polykristallinen Halbleitermaterial besteht und die an die Drainzonen, die in der Schnittebene B-B nicht zu sehen sind, angeschlossen ist. Das Gleichrichterelement 41 ist zwischen diese Drainelektrode 16 und eine weitere Anschlusszone 24 der Driftsteuerzone 21 geschaltet. Diese weitere Anschlusszone 24 ist im Bereich der Vorderseite 101 beabstandet zu der Anschlusszone 22 angeordnet und befindet sich somit an einem lateralen Ende der Driftsteuerzone bzw. im Bereich einer Stirnseite der streifenförmigen Driftsteuerzone 21. Diese Anschlusszone 24 kann sich an die Dielektrikumsschicht 32 anschließen. Liegen die beiden Anschlusszonen 22, 24 auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen, was beispielsweise bei sperrendem Bauelement der Fall ist, so breitet sich in lateraler Richtung der Driftsteuerzone eine Raumladungszone aus, die diese Spannungsdifferenz aufnimmt.
  • Die Driftsteuerzone 21 ist bei dem dargestellten Bauelement an ihrem drainseitigen Ende durch eine weitere Dielektrikumsschicht 33 gegenüber der Drainelektrode 16 isoliert. Entlang dieser weiteren Dielektrikumsschicht 33 kann eine Halbleiterzone 23 vorgesehen sein, die vom selben Leitungstyp wie die Driftsteuerzone ist, die jedoch höher dotiert ist und die bewirkt, dass die Driftsteuerzone an ihrem drainseitigen Ende überall auf einem gleichen elektrischen Potential liegt. Optional ist diese höher dotierte Halbleiterzone 23 über eine weitere höher dotierte Halbleiterzone 26 an die Anschlusszone 24 angeschlossen. es genügt allerdings auch, das Gleichrichterelement hochohmig, d. h. ohne diese weitere Zone 26 an die Halbleiterzone 23 anzuschließen.
  • Das Gleichrichterelement, von dem in 6 lediglich das elektrische Schaltsymbol dargestellt ist, kann in nicht näher dargestellter Weise in dem Halbleiterkörper 100 integriert sein.
  • 7 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines selbstleitenden Halbleiterbauelements. Zusätzlich zu den zuvor anhand von 1 erläuterten Bauelementzonen weist dieses Bauelement eine komplementär zu der Sourcezone 12 und Driftzone 11 dotierte Halbleiterzone 14 auf, die an den Sourceanschluss S angeschlossen ist und die sich durch die Sourcezone 12 bis in die Driftzone 11 erstreckt. Diese Halbleiterzone 14 ermöglicht einen Avalanchedurchbruch des Bauelements. Ziel ist es, einen Avalanche-Durchbruch – sofern eine äußere Beschaltung des Bauelements einen solchen erzwingt – in der Driftzone 11 stattfinden zu lassen. Dazu muss dafür gesorgt werden, dass in der Driftzone 11 früher die Durchbruchsfeldstärke erreicht wird als in der Driftsteuerzone 21. Dies kann z. B. durch die komplementär zu der Driftzone 11 dotierte Halbleiterzone 14 erreicht werden. Dazu kann diese Halbleiterzone 14 höher dotiert sein als die erste Anschlusszone 22, die sich an die Driftsteuerzone 21 anschließt und/oder die Halbleiterzone 14 kann sich in Stromflussrichtung weiter in die Driftzone 11 hinein erstrecken als die zweite Anschlusszone 22 in die Driftsteuerzone 21. Die zuletzt genannte Bedingung, die in 7 nicht dargestellt ist, ist gleichbedeutend damit, dass die Halbleiterzone 14 die Driftsteuerzone 21 überlappt.
  • Bezugnehmend auf die 8A und 8B die Querschnitte durch das Halbleiterbauelement gemäß 7 in einer horizontalen Schnittebene B-B zeigen, kann diese komplementär dotierte Halbleiterzone 14 bei streifenförmigen Bauelementzellen parallel zu dem Driftsteuerzonendielektrikum 31 verlaufen. Diese komplementär dotierte Zone 14 kann sich dabei an eines der zwei Driftsteuerzonendielektrika 31, die die Driftzone 11 einschließen, unmittelbar anschließen, wie dies in 8A dargestellt ist. Bezugnehmend auf 8B kann die komplementär dotierte Zone 14 auch beabstandet zu den beiden Driftsteuerzonendielektrika 31 angeordnet sein.
  • Die anhand der 8A und 8B erläuterten Konzepte lassen sich selbstverständlich auch auf andere Zellengeometrien anwenden, wie beispielsweise die anhand von 3 erläuterten hexagonalen Zellen. In 3 ist für zwei der dort dargestellten Bauelementzellen ebenfalls eine solche komplementär dotierte Halbleiterzone 14 gestrichelt dargestellt. In einem Fall grenzt diese komplementär dotierte Zone 14 an das Driftsteuerzonendielektrikum 31 an. Im anderen Fall ist diese Halbleiterzone 14 beabstandet zu dem Driftsteuerzonendielektrikum 31 angeordnet.
  • 9 veranschaulicht ein weiteres Beispiel. Bei diesem Beispiel verläuft die komplementär dotierte Zone 14 in horizontaler Richtung des Halbleiterkörpers senkrecht zu dem Driftsteuerzonendielektrikum 31.
  • 10 veranschaulicht anhand eines vertikalen Querschnitts durch den Halbleiterkörper 100 ein selbstleitendes Halbleiterbauelement 1, in dessen Halbleiterkörper eine Kapazität 5 integriert ist, die an den Driftsteuerzonenanschluss DC angeschlossen ist. Diese Kapazität 5 dient, wie im Zusammenhang mit 5 erläutert, zur Zwischenspeicherung elektrischer Ladung aus der Driftsteuerzone 21 bei sperrendem Bauelement. Die Kapazität 5 umfasst in dem dargestellten Beispiel ein Kapazitätsdielektrikum 52 sowie eine erste Kapazitätselektrode 53, die an einen ersten Anschluss 51 angeschlossen ist. Bei Einsatz des selbstleitenden Bauelements 1 in einer Schaltungsanordnung gemäß 5 wird dieser Anschluss 51 an einen Bezugspotentialanschluss – in dem Beispiel gemäß 5: den Sourceanschluss S des selbstsperrenden Bauelements 2 – angeschlossen. Die erste Kapazitätselektrode 53 ist in dem dargestellten Beispiel benachbart zu der Driftsteuerzone 21 und der ersten Anschlusszone 22 angeordnet und durch das Ka pazitätsdielektrikum 52 von diesen Bauelementzonen getrennt. Eine zweite Kapazitätselektrode wird in diesem Beispiel unmittelbar durch die Driftsteuerzone 21 und die Anschlusszone 22 gebildet. Bei sperrendem Bauelement sammeln sich die zu speichernden Ladungsträger entlang des Kapazitätsdielektrikums 52 in der Driftsteuerzone 21 oder der ersten Anschlusszone 22.
  • Das Kapazitätsdielektrikum 52 ist beabstandet zu dem Driftsteuerzonendielektrikum 31 angeordnet. Hierdurch wird verhindert, dass die sich bei sperrendem Bauelement entlang des Kapazitätsdielektrikums 52 akkumulierten Ladungsträger das Verhalten des Bauelements im sperrenden Zustand beeinflussen. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel ist ein Teil der Kapazität 5 durch die Steuerzone 21 gebildet. In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, die Kapazität 5 so zu realisieren, dass das Kapazitätsdielektrikum 52 nur an die erste Anschlusszone 22 angrenzt, dass die Kapazität 5 also vollständig innerhalb der ersten Anschlusszone 22 gebildet ist. Bei einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, dass ein unteres Ende des Kapazitätsdielektrikums 52 auf Höhe des pn-Übergangs zwischen der Driftsteuerzone 21 und der ersten Anschlusszone 22 liegt, wie dies in 10 gestrichelt dargestellt ist.
  • 11 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines selbstleitenden Bauelements mit integrierter Kapazität 5. dieses Bauelement unterscheidet sich von dem in 9 dargestellten dadurch, dass sich das Kapazitätsdielektrikum 52 in Stromflussrichtung des Halbleiterkörpers über die gesamte Länge der Steuerzone 21 erstreckt. Die erste Kapazitätselektrode 53 ist hierbei durch das Kapazitätsdielektrikum 52 von der ersten Anschlusszone 22 getrennt. Diese erste Kapazitätselektrode 53 besteht beispielsweise aus einem hochdotierten Halbleitermaterial des selben Leitungstyps wie die Driftsteuerzone 21. Benachbart zu der Driftsteuerzone 21 ist eine Halbleiterzone 55 angeordnet, die beispielsweise hinsichtlich des Dotierungstyps und der Dotierungskonzentration der Driftsteuerzone 21 entspricht und die durch das Kapazitätsdielektrikum 52 gegenüber der Driftsteuerzone 21 dielektrisch isoliert ist. Gegenüber dieser Halbleiterzone 55 ist die erste Kapazitätselektrode 53 durch einen pn-Übergang realisiert. Dieser pn-Übergang ist durch eine weitere Halbleiterzone 54 gebildet, die komplementär zu der Driftsteuerzone 21 dotiert ist. Diese weitere Halbleiterzone 54 befindet sich in Stromflussrichtung beispielsweise auf Höhe des pn-Übergangs zwischen der Driftsteuerzone 21 und der ersten Anschlusszone 22, so dass die erste Kapazitätselektrode 53 die Driftsteuerzone 21 nicht oder zumindest nicht wesentlich überlappt. Die unterhalb der ersten Kapazitätselektrode 53 gebildete Halbleiterzone 55 mit der Driftsteuerzone 21 beispielsweise kurzgeschlossen, was in 10 lediglich schematisch dargestellt ist.
  • Bei der in 11 dargestellten Bauelementstruktur kann das Kapazitätsdielektrikum 52 durch die selben Prozesse hergestellt werden wie das Dirftsteuerzonendielektrikum 31. Darüber hinaus können die Driftzone 11, die Driftsteuerzone 21 und das unterhalb der ersten Kapazitätselektrode 53 angeordnete Halbleitergebiet 55 durch die selben Herstellungsprozesse hergestellt werden. Unterschiedliche Prozessschritte sind erst für die Herstellung der Sourcezone 12 oberhalb der Driftzone 11, die erste Anschlusszone 22 oberhalb der Driftsteuerzone 21 und die erste Kapazitätselektrode 53 oberhalb des Halbleitergebiets 55 erforderlich.
  • Bei den zuvor erläuterten Bauelementen erstrecken sich die Sourcezone 12 und die erste Anschlusszone 21 jeweils bis an die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100. Bei einem weiteren Beispiel, das in 12 dargestellt ist, ist vorgesehen, diese Bauelementzonen als vergrabene Bauelementzonen zu realisieren und die Sourcezone 12 über eine Anschlusszone 17 an den Sourceanschluss 15 bzw. S anzuschließen und die erste Anschlusszone 22 der Driftsteuerzone 21 über eine weitere An schlusszone 27 an den Driftsteuerzonenanschluss DC anzuschließen. Diese Anschlusszonen 17, 27 können aus einem hochdotierten polykristallinen Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Polysilizium, bestehen, können jedoch auch aus einem Metall oder einer Metall-Halbleiter-Verbindung bestehen.
  • Die in 12 dargestellte Sourcezone 12 kann in Verbindung mit einer Anschlusszone 17 aus einem polykristallinen Halbleitermaterial beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass Dotierstoffatome aus dem polykristallinen Halbleitermaterial der Anschlusszone 17 in einen sich daran anschließenden monokristallinen Abschnitt – der im wesentlichen die spätere Driftzone 11 bildet – eindiffundiert werden. Die Sourcezone 12 ist in diesem Fall durch einen monokristallinen Halbleiterabschnitt gebildet.
  • Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, die Sourcezone 12 und die erste Anschlusszone 22 vollständig aus einem dotierten polykristallinen Halbleitermaterial herzustellen. Das die erste Anschlusszone 22 bzw. die Sourcezone 12 bildende polykristalline Halbleitermaterial reicht dann unmittelbar bis an die Driftsteuerzone 21 bzw. die Driftzone 11. Die in 1 in Klammern angegebenen Bezugszeichen beziehen sich auf diese Variante.
  • In diesem Zusammenhang sei noch angemerkt, dass auch die erste Kapazitätselektrode 53 der Kapazität 5 (vgl. 10 und 11) aus einem polykristallinen Halbleitermaterial oder aus einem Metall bzw. einer Metall-Halbleiter-Verbindung bestehen kann.
  • Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale die zuvor im Zusammenhang mit nur einem Beispiel erläutert wurden, auch dann mit Merkmalen anderer Beispiele kombiniert werden können, wenn dies nicht explizit erwähnt wurde. So können insbesondere Merkmale der nachfolgend angegebenen Ansprüche beliebig miteinander kombiniert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2007/012490 [0003]

Claims (19)

  1. Selbstleitendes Halbleiterbauelement, das aufweist: eine Sourcezone (12) und eine Drainzone (13) eines ersten Leitungstyps und eine zwischen der Sourcezone (12) und der Drainzone (13) angeordnete Driftzone (11) des ersten Leitungstyps, die schwächer als die Sourcezone (12) und die Drainzone (13) dotiert ist; eine Driftsteuerzone (21), die sich benachbart zu der Driftzone (11) entlang der Driftzone (11) erstreckt und die ein sourceseitiges und ein drainseitiges Ende aufweist, wobei das sourceseitige Ende an einen Driftsteuerzonenanschluss (DC) angeschlossen ist; ein Driftsteuerzonendielektrikum (31), das zwischen der Driftsteuerzone (21) und der Driftzone (11) angeordnet ist; ein Gleichrichteranordnung (41), die zwischen die Driftsteuerzone (21) und die Drainzone (13) geschaltet ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Driftzone (11) und die Driftsteuerzone (21) aus einem monokristallinen Halbleitermaterial oder aus einem wenigstens annähernd monokristallinen Halbleitermaterial bestehen.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwischen dem Driftsteuerzonenanschluss (DC) und der Driftsteuerzone (21) eine Anschlusszone (22) eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps angeordnet ist.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem die Anschlusszone (22) und die Driftzone (11) sich über das Driftsteuerzonendielektrikum (31) hinweg gegenseitig überlappen.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: eine Kapazität, die zwischen die Driftsteuerzone (21) und einen Kapazitätsanschluss (51) geschaltet ist.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, das eine Kapazität aufweist, die aufweist: eine erste Elektrode, die durch die Anschlusszone (22) gebildet ist; eine zweite Elektrode (53); ein Kapazitätsdielektrikum (52), das zwischen der Anschlusszone (22) und der dotierten Halbleiterzone (53) angeordnet ist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, bei dem die zweite Elektrode (53) benachbart zu der Driftsteuerzone (21) angeordnet ist und mittels des Kapazitätsdielektrikums (52) auch gegenüber der Driftsteuerzone (21) dielektrisch isoliert ist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die zweite Elektrode (53) aus einem dotierten monokristallinen oder polykristallinen Halbleitermaterial, einem Metall oder einer Metall-Halbleiter-Verbindung besteht.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Anschlüsse, das einen an die Sourcezone (12) angeschlossenen Sourceanschluss (S) aufweist.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, bei dem zwischen dem Sourceanschluss (S) und der Sourcezone (12) eine Sourceanschlusszone (17) angeordnet ist, die aus einem polykristallinen Halbleitermaterial, einem Metall oder einer Metall-Halbleiter-Verbindung besteht.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 10, bei dem zwischen der Anschlusszone (22) und dem Driftsteuerzonenanschluss (DC) eine weitere Anschlusszone (26) angeordnet ist, die aus einem polykristallinen Halbleitermaterial, einem Metall oder einer Metall-Halbleiter-Verbindung besteht.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gleichrichterelement (41) im Bereich des drainseitigen Endes an eine Anschlusszone (23) der Driftsteuerzone (21) angeschlossen ist.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Driftsteuerzone (21) ein laterales Ende aufweist und bei dem das Gleichrichterelement (41) im Bereich des sourceseitigen Endes an diesem lateralen Ende an eine Anschlusszone (24) der Driftsteuerzone angeschlossen ist.
  14. Halbleiterbauelementanordnung mit einem selbstleitenden Halbleiterbauelement (1), das aufweist: eine Sourcezone (12) und eine Drainzone (13) eines ersten Leitungstyps und eine zwischen der Sourcezone (12) und der Drainzone (13) angeordnete Driftzone (11) des ersten Leitungstyps, die schwächer als die Sourcezone (12) und die Drainzone (13) dotiert ist; eine Driftsteuerzone (21), die sich benachbart zu der Driftzone (11) entlang der Driftzone (11) erstreckt und die ein sourceseitiges und ein drainseitiges Ende aufweist, wobei das sourceseitige Ende an einen Driftsteuerzonenanschluss (DC) angeschlossen ist; ein Driftsteuerzonendielektrikum (31), das zwischen der Driftsteuerzone (21) und der Driftzone (11) angeordnet ist; ein Gleichrichteranordnung (41), die zwischen die Driftsteuerzone (21) und die Drainzone (13) geschaltet ist, und mit einem selbstsperrenden Transistorbauelement (2), das einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke aufweist, dessen Laststrecke in Reihe zu der Driftzone (11) des selbstleitenden Halbleiterbauelements geschaltet ist und dessen Ansteueranschluss an den Driftsteuerzonenanschluss (DC) des selbstleitenden Halbleiterbauelements (2) gekoppelt ist.
  15. Halbleiterbauelementanordnung nach Anspruch 14, bei der der Ansteueranschluss des selbstsperrenden Halbleiterbauelements (2) über ein Gleichrichterelement (6) an den Driftsteuerzonenanschluss (DC) des selbstleitenden Halbleiterbauelements (1) gekoppelt ist.
  16. Halbleiterbauelementanordnung nach Anspruch 14 oder 15, bei der eine Kapazität (5) zwischen den Driftsteuerzonenanschluss (DC) und einen ersten Anschluss des selbstsperrenden Halbleiterbauelements (2) geschaltet ist, wobei ein zweiter Anschluss des selbstsperrenden Halbleiterbauelements (2) an die Driftzone des selbstleitenden Bauelements (1) angeschlossen ist und die Laststrecke zwischen dem ersten und die Laststrecke zwischen dem ersten und zweiten Anschluss verläuft.
  17. Halbleiterbauelementanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der das selbstleitende Halbleiterbauelement (1) und das selbstsperrende Halbleiterbauelement (2) in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sind.
  18. Halbleiterbauelementanordnung nach Anspruch 16 oder 7, bei der das selbstleitende Halbleiterbauelement (1), das selbstsperrende Halbleiterbauelement (2) und die Kapazität (5) in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sind.
  19. Halbleiterbauelementanordnung nach Anspruch 18, bei der das selbstleitende Halbleiterbauelement (1), das selbstsperrende Halbleiterbauelement (2), das Gleichrichterelement (6) und die Kapazität (5) in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sind.
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