DE102014101239B4 - Bipolarer halbleiterschalter und ein herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Bipolarer Halbleiterschalter (100), umfassend einen Halbleiterkörper (40), der Folgendes umfasst:- ein erstes p-dotiertes Halbleitergebiet (2);- ein zweites p-dotiertes Halbleitergebiet (4); und- ein erstes n-dotiertes Halbleitergebiet (1), das einen ersten pn-Übergang (14) mit dem ersten p-dotierten Halbleitergebiet (2) und einen zweiten pn-Übergang (16) mit dem zweiten p-dotierten Halbleitergebiet (4) bildet; wobei auf einem kürzesten Weg (s) durch das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1) zwischen dem ersten pn-Übergang (14) und dem zweiten pn-Übergang (16) eine Konzentration von Ladungsrekombinationszentren und eine Konzentration von n-Dotierstoffen derart variiert, dass die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren an einem Punkt entlang des kürzesten Wegs (s) ein Maximum aufweist, an dem die Konzentration von n-Dotierstoffen ein lokales Maximum aufweist, dessen Konzentrationswert geringer ist als eine maximale Konzentration der n-Dotierstoffe auf dem Weg (s).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen bipolare Halbleiterschalter, insbesondere bipolare Leistungshalbleiterschalter, und verwandte Herstellungsverfahren.
  • STAND DER TECHNIK
  • Halbleiterbauelemente, wie etwa Thyristoren und Transistoren, beispielsweise feldeffektgesteuerte Schaltvorrichtungen wie etwa ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate (IGBT), wurden für verschiedene Anwendungen benutzt, darunter u.a. Schalter in Stromversorgungen und Leistungswandlern, Elektroautos, Klimaanlagen und sogar Stereoanlagen. Besonders hinsichtlich Leistungsbauteilen, die imstande sind große Ströme zu schalten und/oder bei hohen Spannungen zu arbeiten, sind ein niedriger Durchlasswiderstand (on-resistance), der im Folgenden als Ein-Widerstand Ron bezeichnet wird, weiches Schaltverhalten (Soft-Recovery) und hohe Spannungssperrfähigkeit häufig erwünscht. Die „Weichheit“ eines Halbleiterbauelements kann im Sinne von Überspannungen und/oder Spannungsoszillationen und/oder Stromoszillationen beschrieben werden, die während des Ausschaltens des Halbleiterbauelements auftreten.
  • Bei einem IGBT wird ein FET (Feldeffekttransistor) mit isoliertem Gate zum Steuern eines bipolaren Transistors verwendet. Dabei sind der niedrige Durchlasswiderstand Ron und die schnelle Spannungssteuerung des FET mit isoliertem Gate in einem einzelnen Halbleiterbauelement mit dem hohen Strom und der niedrigen Sättigungsspannung VCEsat des bipolaren Transistors kombiniert. Dementsprechend sind IGBTs bei Mittel- bis Hochleistungsanwendungen, wie etwa Leistungsschaltnetzteilen, Wechselrichter und Motorsteuerungen, allgemein in Gebrauch. Ein einzelner Leistungs-IGBT kann eine Stromschaltfähigkeit von bis zu 100 A und darüber aufweisen und Sperrspannungen von bis zu 6 kV oder sogar darüber standhalten.
  • Wenn ein IGBT ausgeschaltet (abgeschaltet) wird, kann der Strom auf das Gate zurückwirken. Dies kann zu Oszillationen führen und sogar die Steuerfähigkeit herabsetzen. Zum Verbessern der Weichheit von IGBTs kann die Rückseitenemittereffizienz seitlich (lateral) variiert werden. Dies kann jedoch inhomogene Stromverteilungen fördern.
  • Zudem werden tiefe vertikale Graben-Gates häufig für Leistungs-IGBTs benutzt. Insbesondere der Bodenabschnitt des Gate-Oxids kann hohen statischen elektrischen Feldern ausgesetzt sein, beispielsweise elektrischen Feldern, die aus eingefangenen Ladungen im Gate-Oxid resultieren, und/oder hohen dynamischen elektrischen Feldern in einem Sperrmodus des IGBT. Dies kann zur Herabsetzung der Sperrfähigkeit und sogar zu einem dauerhaften Bauelementausfall führen. Ferner können heiße Ladungsträger, die bei einem Lawinenereignis während des Sperrmodus gebildet werden, in das Gate-Oxid injiziert werden. Dies kann zum Verschieben der Betriebspunkte des Bauelements und/oder der Stelle des Durchschlags führen. Insbesondere kann die sogenannte dynamische Lawine, bei der - im Vergleich zum statischen Fall - der elektrische Feldgradient aufgrund von fließenden Löchern, die zur Hintergrunddotierung hinzugefügt werden, während des Sperrmodus wesentlich steiler wird, Oszillationen und/oder Bauelementausfall bewirken.
  • Gemäß der DE 10 2012 217 562 A1 werden in einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers Fremdstoffe, die in dem Halbleiterkörper als Rekombinationszentren wirken und eine Rekombinationszone ausbilden, während des Herstellungsprozesses des Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper eingebracht. Bei einem Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit einer vorderen Oberfläche und einer gegenüberliegenden hinteren Oberfläche aufweist sowie eine durch Fremdstoffe gebildete Rekombinationszone zwischen der vorderen und der hinteren Oberfläche aufweist, wobei die Fremdstoffe als Rekombinationszentren wirken, ist die Oberflächenzustandsdichte an der vorderen und hinteren Oberfläche des Halbleiterkörpers genauso groß wie die Oberflächenzustandsdichte an der vorderen und hinteren Oberfläche eines gleichen Halbleiterkörpers ohne Rekombinationszone. Außerdem beschreibt die DE 10 2012 217562 A1 eine Halbleitervorrichtung umfassend ein Halbleitersubstrat umfassend eine n-Driftschicht, eine p-Körperschicht auf einer oberen Oberflächenseite der Driftschicht sowie eine hochdotierte n-Schicht auf einer unteren Oberflächenseite der Driftschicht. Die hochdotierte n-Schicht beinhaltet Wasserstoffionendonatoren als Dotierstoff und weist eine höhere Dichte von n-Dotierstoffen als die Driftschicht auf. Ein Lebensdauersteuerbereich mit Kristallfehlern als Lebensdauerkiller ist in der hochdotierten n-Schicht und einem Teil der Driftschicht ausgebildet. Eine Donatorspitzenposition, bei der eine Wasserstoffionendonatorendichte in der hochdotierten n-Schicht in Richtung der Tiefe des Halbleitersubstrates am höchsten ist, ist benachbart oder identisch zu einer Fehlerspitzenposition, bei der die Kristallfehlerdichte in dem Lebensdauersteuerbereich in Richtung der Tiefe des Halbleitersubstrates am höchsten ist. Die Kristallfehlerdichte an der Fehlerspitzenposition des Lebensdauersteuerbereichs beträgt 1012 Atome/cm3 oder mehr. Weiterhin beschreibt die US 7 485 920 B2 Halbleitervorrichtungen mit Rekombinationszentren, die aus gut positionierten Schwermetallen bestehen, und die JP 2005 197 472 A eine Halbleitervorrichtung beinhaltend vertikale bipolare Halbleiterelemente mit Gate-Elektroden, wobei im Chipperipherieabschnitt die Tiefe, in der eine Kristallfehlerverteilung im hochdotierten Driftbereich vom p-Typ der Halbleiterelemente maximal wird, näher am Zentrum des Driftbereichs ist als in der Mitte des Chips.
  • Bekannte Maßnahmen zum Reduzieren von Oszillationen während des Ausschaltens von IGBTs weisen nur eine begrenzte Wirkung auf und/oder werden von Nebenwirkungen begleitet. Beispielsweise können der Bodenabschnitt und/oder die Seitenabschnitte des Gate-Oxids dicker hergestellt sein. Allerdings ist die Dicke der Seitenabschnitte des Gate-Oxids typischerweise auf die Hälfte der Grabenbreite begrenzt. Ferner nimmt die mechanische Belastung typischerweise mit der Dicke des Gate-Oxids zu. Die Verwendung von sogenannten Hoch-DK-Materialien, wie etwa Hafniumoxid, mit einer größeren dielektrischen Konstante als Siliziumoxid als Gate-Oxid bzw. Gate-Dielektrikum führt typischerweise nur zu einer begrenzten Herabsetzung der Oszillationen und kann eine komplexere Fertigung nach sich ziehen. Alternativ können zusätzliche Gräben auf Source-Potential (inaktive Gate-Gräben) zwischen den Gräben auf Gate-Potential angeordnet sein. Während des Ausschaltens kann der Löcherstrom unter den zusätzlichen Gräben zu Emitterkontakten fließen. Daher kann der Einfluss des Löcherstroms auf die Gates wirksam reduziert sein. Es kann jedoch ein Gate-Widerstand, der für manche Anwendungen zu hoch ist, zum Beeinflussen des Ausschaltens erforderlich sein. Ferner benötigt diese Gestaltung typischerweise eine große Bauelementfläche.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform eines bipolaren Halbleiterschalters enthält der Halbleiterschalter einen Halbleiterkörper, der ein erstes p-dotiertes Halbleitergebiet, ein zweites p-dotiertes Halbleitergebiet und ein erstes n-dotiertes Halbleitergebiet enthält, das einen ersten pn-Übergang mit dem ersten p-dotierten Halbleitergebiet und eine zweiten pn-Übergang mit dem zweiten p-dotierten Halbleitergebiet bildet. Auf einem kürzesten Weg durch das erste n-dotierte Halbleitergebiet zwischen dem ersten pn-Übergang und dem zweiten pn-Übergang variieren eine Konzentration von Ladungsrekombinationszentren und eine Konzentration von n-Dotierstoffen. Die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren weist ein Maximum an einem Punkt entlang des kürzesten Wegs auf, an dem die Konzentration von n-Dotierstoffen mindestens nahe an einer maximalen Dotierstoffkonzentration liegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines bipolaren Halbleiterschalters enthält der Halbleiterschalter einen Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial. Der Halbleiterkörper enthält ein erstes p-dotiertes Halbleitergebiet, ein zweites p-dotiertes Halbleitergebiet und ein ersten n-dotiertes Halbleitergebiet, das einen ersten pn-Übergang mit dem ersten p-dotierten Halbleitergebiet und einen zweiten pn-Übergang mit dem zweiten p-dotierten Halbleitergebiet bildet. In einem vertikalen Querschnitt, der im Wesentlichen rechtwinklig zum ersten pn-Übergang und / oder zum zweiten pn-Übergang ist, ist eine Durchbruchsladung des Halbleitermaterials dividiert durch die Elementarladung größer als ein Integral, das durch Integrieren einer Konzentration von n-Dotierstoffen entlang einer im Wesentlichen vertikalen Linie zwischen dem ersten pn-Übergang und einem Punkt im ersten n-dotierten Halbleitergebiet erhalten werden kann, an dem eine Ladungsträgerlebenszeit im ersten n-dotiertes Halbleitergebiet mindestens nahe an einem Minimalwert liegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines bipolaren Halbleiterschalters enthält der bipolare Halbleiterschalter einen Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper enthält ein erstes p-dotiertes Halbleitergebiet, ein zweites p-dotiertes Halbleitergebiet und ein erste n-dotiertes Halbleitergebiet, das einen ersten pn-Übergang mit dem ersten p-dotierten Halbleitergebiet und einen zweiten pn-Übergang mit dem zweiten p-dotierten Halbleitergebiet bildet. Auf einem kürzesten Weg durch das erste n-dotiertes Halbleitergebiet zwischen dem ersten pn-Übergang und dem zweiten pn-Übergang weist eine Konzentration von n-Dotierstoffen mindestens zwei Höchstwerte und eine Ladungsträgerlebenszeit ein Minimum auf, das mindestens nahe an mindestens einem der zwei Höchstwerte liegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahren zum Ausbilden eines bipolaren Halbleiterschalters enthält das Verfahren: Bereitstellen eines Halbleiterkörpers mit einer Hauptfläche, einer Rückfläche, die gegenüber angeordnet ist, und einer ersten Halbleiterschicht; und Reduzieren einer Ladungsträgerlebenszeit. Das Reduzieren der Ladungsträgerlebenszeit enthält mindestens eines von Eindiffundieren von Schwermetallen in die erste Halbleiterschicht, Implantieren von Protonen in die erste Halbleiterschicht und Implantieren von Heliumkernen in die erste Halbleiterschicht. Das Verfahren wird derart ausgeführt, dass die Ladungsträgerlebenszeit in einer vertikalen Richtung, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Hauptfläche verläuft, ein Minimum in einem unteren n-dotierten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht aufweist, wo eine Konzentration von n-Dotierstoffen mindestens nahe einem Maximum ist.
  • Der Fachmann wird nach Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung und Ansicht der beiliegenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
  • Figurenliste
  • Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen liegt der Schwerpunkt auf der Veranschaulichung der Erfindungsprinzipien. Zudem bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. Es zeigen:
    • 1 einen vertikalen Querschnitt durch ein bipolares Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform;
    • 2 einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines bipolaren Halbleiterbauelements, eine Ladungsträgerlebenszeit und eine Dotierstoffkonzentration gemäß Ausführungsformen;
    • 3 einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen;
    • 4 einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen; und
    • 5 einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper während Verfahrensschritten eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden Beschreibung wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, die ein Bestandteil hiervon sind, und in denen veranschaulichend spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann. In dieser Hinsicht ist richtungsgebende Terminologie, wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vordere/r/s“, „hintere/r/s“ usw. mit Bezug auf die Ausrichtung der Figur(en) beschrieben. Da Komponenten von Ausführungsformen in mehreren verschiedenen Ausrichtungen angeordnet sein können, ist die richtungsgebende Terminologie zu Veranschaulichungszwecken benutzt und keineswegs einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und bauliche oder logische Änderungen erfolgen können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
  • Es wird nun detailliert auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Figuren dargestellt sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung vorgesehen und nicht als Einschränkung der Erfindung gemeint. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform beschrieben sind, in oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen zum Erzielen wiederum einer anderen Ausführungsform benutzt werden. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Variationen beinhaltet. Die Beispiele sind unter Benutzung spezifischer Sprache beschrieben, die nicht als den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche einschränkend aufzufassen ist. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen nur veranschaulichenden Zwecken. Zur Übersichtlichkeit wurden, wenn nicht anders angegeben, dieselben Elemente oder Herstellungsschritte in den verschiedenen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
  • Mit dem Begriff „horizontal“, wie er in dieser Schrift verwendet ist, ist beabsichtigt, eine Ausrichtung zu beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten oder Hauptfläche eines Halbleitersubstrats oder -körpers ist. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder Chips sein.
  • Mit dem Begriff „vertikal“, wie er in dieser Schrift verwendet ist, ist beabsichtigt, eine Ausrichtung zu beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche ist, d.h. parallel zur Normalen der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -körpers.
  • In dieser Schrift ist berücksichtigt, dass eine zweite Oberfläche eines Halbleitersubstrats des Halbleiterkörpers durch die untere oder Rückfläche ausgebildet ist, während berücksichtigt ist, dass die erste Oberfläche durch die obere, vordere oder Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist. Die Begriffe „oben“ und „unten“, wie sie in dieser Schrift verwendet sind, beschreiben daher einen relativen Standort eines baulichen Merkmals zu einem anderen baulichen Merkmal unter Berücksichtigung dieser Ausrichtung.
  • Spezifische Ausführungsformen, die in dieser Schrift beschrieben sind, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, zu bipolaren Halbleiterbauelementen, die als Schalter betrieben sein können, insbesondere bipolare Leistungshalbleiterbauelemente und Herstellungsverfahren dafür. Das Halbleiterbauelement isst typischerweise ein vertikales Halbleiterbauelement, wie etwa ein vertikaler Thyristor oder ein vertikaler IGBT oder ein bipolarer Transistor mit einer ersten Ladungselektrode, die auf der ersten Oberfläche angeordnet ist, und einer zweiten Ladungselektrode, die auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist. Die ersten und zweiten Ladungselektroden können als jeweilige Metallisierungen ausgebildet sein. Typischerweise ist das ausgebildete Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem aktiven Bereich mit mehreren Zellen zum Führen und/oder Steuern eines Ladungsstroms. Zudem weist das Leistungshalbleiterbauelement typischerweise einen Umfangsbereich mit zumindest einer Kantenabschlussstruktur auf, die bei Betrachtung von oben den aktiven Bereich mindestens teilweise umgibt.
  • Der Begriff „Leistungshalbleiterbauelement“, wie er in dieser Schrift verwendet ist, ist dazu beabsichtigt, ein Halbleiterbauelement auf einem einzelnen Chip mit hohen Spannungs- und/oder hohen Stromschaltungsfähigkeiten zu beschreiben. Anders gesagt sind Leistungshalbleiterbauelemente für hohen Strom beabsichtigt, typischerweise im Ampere-Bereich und höher. Innerhalb dieser Schrift sind die Begriffe „Leistungshalbleiterbauelement“ und „Leistungshalbleiterkomponente“ synonym verwendet.
  • Mit dem Begriff „Feldeffekt“, wie er in dieser Schrift verwendet ist, ist beabsichtigt, die durch elektrisches Feld vermittelte Ausbildung eines leitfähigen „Kanals“ einer ersten Leitfähigkeitsart und/oder Leitfähigkeitssteuerung und/oder Form des Kanals in einem Halbleitergebiet einer zweiten Leitfähigkeitsart, typischerweise einem Bodygebiet der zweiten Leitfähigkeitsart, zu beschreiben. Aufgrund des Feldeffekts wird ein einpoliger Stromweg durch das Kanalgebiet ausgebildet und/oder zwischen einem Emittergebiet der ersten Leitfähigkeitsart und einem Driftgebiet der ersten Leitfähigkeitsart gesteuert. Im Folgenden wird das Driftgebiet außerdem als Basisgebiet bezeichnet. Das Driftgebiet kann mit einem Kollektorgebiet in Kontakt sein. Das Draingebiet oder das Kollektorgebiet ist in elektrischem Kontakt mit niedrigem Widerstand mit einer Drain- oder Kollektorelektrode. Das Sourcegebiet oder Emittergebiet ist in niederohmischen elektrischen Kontakt mit einer Source- oder Emitterelektrode. Im Kontext der vorliegenden Schrift ist mit den Begriffen „in ohmischem Kontakt“ oder „in elektrischem Widerstandskontakt“ zu beschreiben beabsichtigt, dass ein ohmischer Stromweg, typischerweise ein niederohmischer ohmischer Stromweg, zwischen jeweiligen Elementen oder Abschnitten eines Halbleiterbauelements vorliegt, wenn keine Spannungen am und/oder über dem Halbleiterbauelement anliegen. Innerhalb dieser Schrift sind die Begriffe „in elektrischem Kontakt mit niedrigem Widerstand“, „elektrisch gekoppelt“ und „in elektrischer Verbindung mit niedrigem Widerstand“ synonym verwendet.
  • Im Kontext der vorliegenden Schrift ist mit dem Begriff „Gateelektrode“ beabsichtigt, eine Elektrode zu beschreiben, die neben dem Bodygebiet und davon isoliert angeordnet ist und zum Ausbilden und/oder Steuern eines Kanalgebiets durch das Bodygebiet konfiguriert ist.
  • Mit dem Begriff „umschalten“, wie er in dieser Schrift verwendet ist, ist beabsichtigt, das Schalten des Stroms eines Halbleiterbauelements aus der Vorwärtsrichtung oder Leitrichtung, in der ein pn-Lastübergang, beispielsweise der pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet und dem Driftgebiet eines IGBT oder MOSFET, in Vorwärtsrichtung gepolt ist, in die Gegenrichtung oder Umkehrrichtung zu schalten, in der der pn-Lastübergang in Sperrrichtung gepolt ist.
  • In Folgenden werden Ausführungsformen, die zu Halbleiterbauelementen und Herstellungsverfahren zum Ausbilden von Halbleiterbauelementen gehören, hauptsächlich unter Bezugnahme auf Silizium- (Si-) Halbleiterbauelemente beschrieben. Dementsprechend ist ein monokristallines Halbleitergebiet oder -schicht typischerweise ein monokristallines Si-Gebiet oder Si-Schicht. Es versteht sich jedoch, dass der Halbleiterkörper aus jeglichem Halbleitermaterial hergestellt sein kann, der zum Herstellen eines Halbleiterbauelements geeignet ist. Für Leistungshalbleiteranwendungen werden derzeit hauptsächlich Si-, SiC-(Siliziumkarbid), GaAs- (Galliumarsenid) und GaN- (Galliumnitrid) Materialien benutzt. Wenn der Halbleiterkörper ein hohes Bandabstandsmaterial aufweist, wie etwa SiC oder GaN, die eine hohe Durchschlagsspannung bzw. hohe kritische Lawinenfeldstärke aufweisen. kann die Dotierung der jeweiligen Halbleitergebiete höher gewählt werden, wodurch der Ein-Zustandswiderstand Ron reduziert ist.
  • 1 stellt einen vertikalen Querschnitt durch ein bipolares Halbleiterbauelement 100 dar. Das bipolare Halbleiterelement 100 enthält einen Halbleiterkörper 40, der zwischen einer Hauptfläche 101 mit einer Normalrichtung, die eine vertikale Richtung definiert, und einer Rückfläche 102 verläuft, die gegenüber der Hauptfläche 101 angeordnet ist. Im Folgenden wird die Hauptfläche 101 außerdem als horizontale Hauptfläche bezeichnet. Der Halbleiterkörper 40 enthält ein erstes n-Halbleitergebiet (erstes n-dotiertes Halbleitergebiet) 1, mindestens ein Bodygebiet 2, das im Folgenden außerdem als erstes p-Halbleitergebiet (erstes p-dotiertes Halbleitergebiet) 2 bezeichnet wird, und mindestens ein erstes p-Kollektorgebiet 4, das im Folgenden außerdem als zweites p-Halbleitergebiet (zweites p-dotiertes Halbleitergebiet) 4 bezeichnet wird. Das erste n-Halbleitergebiet 1 bildet einen ersten pn-Übergang 14 mit dem (den) Bodygebiet(en) 2 und einen zweiten pn-Übergang 16 mit dem Kollektorgebiet 4 aus. Im Folgenden werden der zweite pn-Übergang 16 und der erst pn-Übergang 14 auch als als pn-Übergang 16 bzw. weiterer pn-Übergang 14 bezeichnet. Der Halbleiterkörper 40 enthält ferner ein oder mehr n-Emittergebiete 3, die einen dritten pn-Übergang 15 mit dem (den) Bodygebiet(en) 2 bilden, der bis zur Hauptfläche 101 verlaufen kann.
  • In der beispielhaften Ausführungsform verlaufen drei vertikale Gräben 50 von der Hauptfläche 101 entlang jeweiliger Emitter- oder Sourcegebiete 3 und Bodygebiete 2 und teilweise in das erste n-Halbleitergebiet 1. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Typischerweise ist das Halbleiterelement 100 ein Leistungshalbleiterbauelement, das in einem aktiven Gebiet mehrere vertikale Gräben 50 enthält. Im vertikalen Querschnitt und typischerweise auch bei Betrachtung von oben bilden die vertikalen Gräben 50 im aktiven Gebiet typischerweise ein Gitter aus, das Einheitszellen 110 definiert.
  • In jedem vertikalen Graben 50 ist eine Gateelektrode 10 angeordnet und durch ein Dielektrikumgebiet 9b, 9c, 9d vom Halbleiterkörper 40 getrennt. Ein unterer Abschnitt 9b des Dielektrikumgebiets ist unterhalb der Gateelektrode 10 und zwischen der Gateelektrode 10 und dem ersten n-Halbleitergebiet 1 angeordnet. Gatedielektrikumabschnitte 9c des Dielektrikumgebiets sind an Seitenwänden des vertikalen Grabens 50 angeordnet. Die Gatedielektrikumabschnitte 9c verlaufen von der Hauptfläche 101 entlang eines jeweiligen Sourcegebiets 3, eines jeweiligen angrenzenden Bodygebiets 2 und teilweise in das erste n-Halbleitergebiet 1. Die Gateelektrode 10 ist durch einen oberen Dielektrikumabschnitt 9d abgedeckt. Der untere Dielektrikumabschnitt 9b, der obere Dielektrikumabschnitt 9d und die Gatedielektrikumabschnitte 9c können aus demselben dielektrischen Material hergestellt sein, beispielsweise Siliziumoxid (Si02).
  • Eine Emittermetallisierung in niederohmiger Verbindung mit dem (den) Emitter- oder Sourcegebiet(en) 3 und dem (den) Bodygebiet(en) 2 über ein jeweiliges höher dotiertes p-Bodykontaktgebiet 2a kann auf der Hauptfläche 101 ausgebildet sein, um einen Emitter- oder Sourceanschluss E auszubilden.
  • Es ist zu beachten, dass die Kontaktstifte 17 und die Bodykontaktgebiete 2a außerdem nur in bestimmtem Querschnitt ausgebildet sein können, beispielsweise in vertikalem Querschnitt des Halbleiterbauelements 100 ohne die vertikalen Gräben 50. Die ermöglicht engere vertikale Gräben 50.
  • Ferner kann eine Gatemetallisierung (in 1 nicht gezeigt) in niederohmiger Verbindung mit den Gateelektroden 10 auf der Hauptfläche 101 ausgebildet sein, um einen Gateanschluss G auszubilden.
  • Zum Ausbilden eines Kollektoranschlusses C kann eine Kollektormetallisierung gegenüber der Emittermetallisierung, d.h. auf einer Rückfläche 102, und in niederohmischer Verbindung mit dem Kollektorgebiet 4 ausgebildet sein.
  • In einem Vorwärtsmodus kann ein Kanalgebiet in dem (den) Bodygebiet(en) 2 zwischen dem (den) Emittergebiet(en) 3 und dem ersten n-Halbleitergebiet 1 durch Anlegen einer zweckdienlichen Spannungsdifferenz zwischen dem Gateanschluss G und dem Emitteranschluss E ausgebildet sein. Dementsprechend kann das Halbleiterbauelement 100 als IGBT betrieben sein.
  • Während eines Sperrmodus, in dem der pn-Übergang 14 in Sperrrichtung gepolt ist, und abhängig von der Spannung VCE zwischen dem Kollektoranschluss C und dem Emitteranschluss E verläuft ein Raumladungsgebiet in das erste n-Halbleitergebiet 1 und in einem geringeren Ausmaß in das (die) höher dotierte(n) Bodygebiet(e) 2.
  • Typischerweise enthält das erste n-Halbleitergebiet 1 ein n-Driftgebiet 1a und ein sogenanntes n-Feldstoppgebiet 1b, das unterhalb des Driftgebiets 1a und zwischen dem Driftgebiet 1a und dem Kollektorgebiet 4 ausgebildet ist und eine höhere maximale Dotierungskonzentration und/oder eine höhere mittlere Dotierungskonzentration als das Driftgebiet 1a aufweist, um die räumliche Ausdehnung des elektrischen Felds während des Sperrmodus einzuschränken. Im Folgenden werden das Driftgebiet 1a und das Feldstoppgebiet 1b außerdem als erster oder oberer Abschnitt 1a des ersten n-Halbleitergebiets 1 bzw. als zweiter oder unterer Abschnitt 1b des ersten n-Halbleitergebiets 1 bezeichnet. Typischerweise ist die maximale Dotierungskonzentration des Feldstoppgebiets 1b mindestens ungefähr eine Größenordnung höher als die maximale Dotierungskonzentration des Driftgebiets 1a. Die maximale Ausdehnung des Raumladungsgebiets während des Sperrmodus ohne Lawine ist in 1 durch die Strichpunktlinie dargestellt (statischer Fall).
  • Während eines Lawinendurchschlags fließen Ladungsträger, die im ersten n-Halbleitergebiet 1 eng an den Gräben 50 erzeugt sind, abhängig von ihrer Leitfähigkeitsart die Graben-Substrat-Grenzfläche entlang entweder zum (zu den) Bodygebiet(en) 2 und dann zum (zu den) Bodykontaktgebiet(en) 2a hin oder zum Kollektorgebiet 4 hin. Während dieses Fließens können die Ladungsträger in die benachbarten Dielektrikumgebiete 9b, 9c, 9d zerstreut und dort eingefangen und angehäuft werden. Die eingefangenen Ladungsträger können eine Drift der elektrischen Eigenschaften des Bauelements bewirken, die zu einem geänderten Verhalten und schließlich zu einer Fehlfunktion des Bauelements wie oben erläutert führen.
  • Während eines dynamischen Lawinenereignisses, das aufgrund einer Stromfilamentation oder kosmischer Strahlung auftreten kann, kann sich das Raumladungsgebiet teilweise in das erste n-Halbleitergebiet 1 typischerweise das Feldstoppgebiet 1b, zurückziehen, um ein dynamisches Raumladungsgebiet auszubilden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist eine Konzentration von Ladungsrekombinationszentren in einem Übergangsgebiet 11 des ersten n-Halbleitergebiets 1 erhöht. Das Übergangsgebiet 11 liegt innerhalb des statischen Raumladungsgebiets, jedoch außerhalb des dynamischen Raumladungsgebiets, beispielsweise innerhalb des Feldstoppgebiets 1b. Dementsprechend kann das Übergangsgebiet 11 ladungserzeugende Zentren während des Abschaltens bzw. Umschaltens bereitstellen und die Ladungsträgerlebenszeit während eines dynamischen Lawinenereignisses reduzieren. Daher kann die Injektion von Löchern von der Rückseite während der dynamischen Lawine reduziert werden. Die dynamische Lawine kann sogar angehalten werden. Dementsprechend können Oszillationen während des Umschaltens mindestens wesentlich reduziert und dadurch die Weichheit verbessert werden. Zudem können andere Bauelementparameter, wie etwa Langzeitstabilität, verbessert werden, insbesondere für Graben-IGBTs, da die dynamische Lawine unterhalb des Grabenbodens, d.h. unterhalb der unteren Dielektrikumabschnitte 9b, unterdrückt oder mindestens wesentlich reduziert werden können. Daher kann das Einfangen von heißen Ladungsträgern in den unteren Dielektrikumabschnitten 9b, das zu einer Verschiebung von Bauelementparametern, wie etwa Anfangsspannungen und Lawinenanfangsstellen, führt, reduziert werden. Es ist zu beachten, dass ein Übergangsgebiet für Durchgreif-IGBTs und Nicht-Durchgreif-IGBTs und außerdem für laterale IGBTs, Thyristoren und bipolare Transistoren verwendbar ist.
  • Die Ladungsrekombinationszentren können Schwermetallatome, wie etwa Platin-(Pt-) Atome, und/oder Gitterdefekt sein, beispielsweise sogenannte A-Zentren oder Gitterleerstellen wie etwa doppelte Leerstellen, auch als V2 -Zentren bezeichnet, die durch Implantieren von hochenergetischen Partikeln, wie etwa Elektronen, Protonen oder Heliumnuklei, und anschließenden Temperprozess erzeugt werden können.
  • Auf einem kürzesten Weg s durch das erste n-Halbleitergebiet 1 zwischen dem ersten pn-Übergang 14 und dem zweiten pn-Übergang 16 variieren eine Konzentration von Ladungsrekombinationszentren und eine Konzentration von n-Dotierstoffen (die Konzentration von n-Dotierstoffen ist im Feldstoppgebiet 1b typischerweise höher).
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält das erste n-Halbleitergebiet 1, insbesondere das Feldstoppgebiet 1b, Protonen als Donatoren (n-Dotierstoffe). Die kann die Herstellung erleichtern, insbesondere wenn die Ladungsrekombinationszentren durch Implantieren hochenergetischer Protonen und anschließendes Tempern ausgebildet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren auf dem kürzesten Weg s eine Maximalkonzentration an einem Punkt sb auf, der einer vertikalen Tiefe entspricht, wo die Konzentration von n-Dotierstoffen mindestens nahe an einer Maximaldotierstoffkonzentration liegt (im Feldstoppabschnitt). Die Maximalkonzentration der Ladungsrekombinationszentren kann in einem Bereich von ungefähr 1011 cm-3 bis ungefähr 1013 cm-3 liegen.
  • In der beispielhaften Ausführungsform ist das Halbleiterbauelement 100 ein vertikaler IGBT mit im Wesentlichen horizontal ausgerichteten ersten und zweiten pn-Übergangen 14, 16, die im Wesentlichen parallel zueinander sind. Daher entspricht der kürzeste Weg einer im Wesentlichen vertikalen Linie durch das erste n-Halbleitergebiet 1.
  • Typischerweise ist stimmt Durchbruchsladung des Halbleitermaterials dividiert durch die Elementarladung mit einem Integral überein, das durch Integrieren einer Konzentration von n-Dotierstoffen entlang der vertikalen Linie s zwischen dem ersten pn-Übergang 14 und dem Ende des Raumladungsgebiets im ersten n-Halbleitergebiet 1, des n-dotierten Driftgebiets 1a oder des n-dotierten Feldstoppgebiets 1b erhalten ist, wenn die volle Durchschlagspannung (statische Nenndurchschlagspannung) zwischen der Kollektormetallisierung (C) und der Emittermetallisierung (E) angelegt ist. In 1 ist das Ende des Raumladungsgebiets durch die Strichpunktlinie dargestellt. Beispielsweise beträgt die Durchbruchsladung von Silizium dividiert durch die Elementarladung ungefähr 2*1012 cm-2.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Linienintegral L von einer Konzentration von n-Dotierstoffen entlang der Linie s (kürzester Weg) und integriert zwischen dem ersten pn-Übergang 14 und dem Punkt sb , wo die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren eine maximale Konzentration aufweist oder mindestens nahe daran liegt, und wo die Ladungsträgerlebenszeit ein Minimum aufweist oder mindestens nahe daran liegt, kleiner als die Durchbruchsladung dividiert durch die Elementarladung. Typischerweise liegt das Linienintegral L in einem Bereich von ungefähr 60% bis ungefähr 90% der Durchbruchsladung dividiert durch die Elementarladung, noch typischer in einem Bereich von ungefähr 70% bis ungefähr 85% der Durchbruchsladung dividiert durch die Elementarladung. Beispielsweise kann das Linienintegral L ungefähr 75% der Durchbruchsladung dividiert durch die Elementarladung betragen. Dies kann außerdem von den Betriebsbedingungen des Halbleiterbauelements abhängen. Beispielsweise kann der Punkt sb dem Ende des Raumladungsgebiets im ersten n-Halbleitergebiet 1, dem n-dotierten Driftgebiets 1a oder dem n-dotierten Feldstoppgebiet 1b entsprechen, wenn eine zwischenliegende Schaltungsspannung von Schaltungen, auf der das Halbleiterbauelement betrieben werden soll, zwischen der Kollektormetallisierung (C) und der Emittermetallisierung (E) angelegt ist. Die zwischenliegende Schaltungsspannung kann beispielsweise ungefähr 75% der Nenndurchschlagspannung entsprechen.
  • 2 stellt auf der linken Seite einen unteren Abschnitt eines vertikalen Querschnitts durch einen Halbleiterkörper eines bipolaren Halbleiterbauelements 100' dar. Das Halbleiterbauelement 100' gleicht dem Halbleiterbauelement 100, das oben bezüglich 1 erläutert ist. Der dargestellte untere Abschnitt kann sogar einem entsprechenden Abschnitt von 1 entsprechen. Der Deutlichkeit halber sind nur das erste n-Halbleitergebiet 1 und das Kollektorgebiet 4 gezeigt. Auf der rechten Seite sind eine vertikale Verteilung einer Ladungsträgerlebenszeit τ und eine vertikale Dotierkonzentration von n-Dotierstoffen ND als Funktion einer Distanz |s| von dem ersten pn-Übergang 14 dargestellt.
  • In der beispielhaften Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, weist die Konzentration von n-Dotierstoffen in einer vertikalen Richtung im Feldstoppgebiet 1b vier Maximalwerte auf, während die Ladungsträgerlebenszeit τ ein Minimum im Feldstoppgebiet 1b aufweist. Es ist zu beachten, dass die Ladungsträgerlebenszeit τ umgekehrt mit einer Konzentration der Ladungsrekombinationszentren in Bezug steht, die in der vertikalen Richtung ein Maximum aufweist, während die Ladungsträgerlebenszeit τ ein Minimum aufweist. Es ist zu beachten, dass die Konzentration von n-Dotierstoffen ND in der vertikalen Richtung und auf einem kürzesten Weg zwischen der ersten und zweiten pn-Übergang 14, 16 ebenfalls mehr oder weniger als vier Maximalwerte aufweisen kann.
  • In der beispielhaften Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, weist die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren in der vertikalen Richtung ein Maximum (und die Ladungsträgerlebenszeit τ ein Minimum τmin) in einer Tiefe sb auf, wo die Konzentration von n-Dotierstoffen ND eine maximale Dotierstoffkonzentration aufweist oder nahe daran liegt. In dieser Ausführungsform weist die Konzentration von n-Dotierstoffen ND auf einem kürzesten Weg s durch das erste n-Halbleitergebiet 1 und zwischen dem ersten pn-Übergang 14 und dem zweiten pn-Übergang 16 typischerweise ein Maximum an einem Punkt si auf, der im Wesentlichen dem Punkt sb entspricht, wo die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren ein Maximum aufweist.
  • Gemäß numerischen Simulationen ist bezüglich Weichheit und Robustheit eine besonders vorteilhafte Bauelementleistung erzielt, wenn die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren in der vertikalen Richtung ihr Maximum aufweist, wo die Konzentration von n-Dotierstoffen ND im Wesentlichen ein lokales Maximum erreicht, insbesondere das zweite oder dritte Maximum bei Zählung vom zweiten pn-Übergang 16 aus. Unter anderem kann dies von den Dotierungsprofilen und der vertikalen Distanz zwischen dem ersten pn-Übergang 14 und dem zweiten pn-Übergang 16 abhängen. Beispielsweise kann die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren in der vertikalen Richtung ihr Maximum aufweisen, wo die Konzentration von n-Dotierstoffen ND im Wesentlichen ein viertes (lokales) Maximum bei Zählung vom zweiten pn-Übergang 16 aus oder im Driftgebiet 1a erreichen.
  • Typischerweise weist das Feldstoppgebiet 1b eine vertikale Ausdehnung d1b auf, und die Ladungsträgerlebenszeit τ als Funktion einer vertikalen Distanz x vom zweiten pn-Übergang 16 ist niedriger in einem Bereich [x1 , x2 ] zwischen einem ersten Wert x1 , der ungefähr 10% der vertikalen Ausdehnung d1b entspricht, noch typischer ungefähr 20% der vertikalen Ausdehnung d1b , und einem zweiten Wert x2 , der ungefähr 80% der vertikalen Ausdehnung d1b entspricht, noch typischer ungefähr 60% der vertikalen Ausdehnung d1b , als außerhalb des Bereichs. Für Hochspannungsschalter kann die vertikale Ausdehnung d1b in einem Bereich von ungefähr 10 µm bis ungefähr 50 µm oder sogar mehr liegen, während die vertikale Ausdehnung des Driftgebiets in einem Bereich von ungefähr 400 µm bis ungefähr 600 µm oder sogar mehr liegen kann.
  • 3 stellt einen unteren Abschnitt eines vertikalen Querschnitts durch ein bipolares Halbleiterbauelement 200 dar. Das bipolare Halbleiterbauelement 200 gleicht dem Halbleiterbauelement 100, 100', das oben unter Bezugnahme auf 1, 2 erläutert ist, und kann ebenfalls als Schalter betrieben sein. Jedoch variiert die Konzentration von Ladungsrekombinationszentren nicht nur in der vertikalen Richtung, sondern auch in der horizontalen Richtung, d.h. in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zum zweiten pn-Übergang ist, im Feldstoppgebiet 1.
  • In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Übergangsgebiet 11 im vertikalen Querschnitt Zonen 11a und 11b mit unterschiedlicher Maximalkonzentration von Ladungsrekombinationszentren und/oder unterschiedliche mittlere Konzentration von Ladungsrekombinationszentren. Es ist zu beachten, dass die Maximalkonzentration von Ladungsrekombinationszentren in einer der Zonen 11a und 11b im Wesentlichen null sein kann. Aufgrund der seitlich variierenden Konzentration von Ladungsrekombinationszentren, d.h. aufgrund der in einer horizontalen Richtung variierenden Konzentration von Ladungsrekombinationszentren, kann die Weichheit des IGBT 200 während des Umschaltens verbessert sein. Durch geeignetes Variieren der Konzentration von Ladungsrekombinationszentren bzw. der Ladungsträgerlebensdauer in vertikalen und horizontalen Richtungen kann selbst ohne seitliches Variieren der Emittereffizienz des zweiten pn-Übergangs 16 eine genügend gute Weichheit („softness“) erzielt werden. Dementsprechend kann die Herstellung des Halbleiterbauelements 200 im Vergleich zu Halbleiterbauelementen mit derselben Weichheit, jedoch mit seitlichem Variieren der Rückseitenemittereffizienz erleichtert sein.
  • Dies gilt ebenfalls für andere Ausführungsformen, in denen das Übergangsgebiet 11 im vertikalen Querschnitt voneinander beabstandete Zonen enthält, die sich auf im Wesentlichen derselben vertikalen Tiefe befinden und eine höhere maximale Konzentration von Ladungsrekombinationszentren und/oder eine höhere mittlere Konzentration von Ladungsrekombinationszentren als der Rest des Feldstoppgebiets 1b aufweisen.
  • 4 stellt einen unteren Abschnitt eines vertikalen Querschnitts durch einen Halbleiterkörper eines bipolaren Halbleiterbauelements 200' dar. Das bipolare Halbleiterbauelement 200' gleicht dem bipolaren Halbleiterbauelement 200, das oben unter Bezugnahme auf 3 erläutert ist und ebenfalls als bipolarer Schalter, beispielsweise als IGBT, betrieben sein kann. Die Emittereffizienz des zweiten pn-Übergangs 16 des Halbleiterbauelements 200' ist jedoch seitlich variiert, d.h. in einer Richtung variiert, die im Wesentlichen parallel zum zweiten pn-Übergang 16 ist, um die Weichheit weiter zu verbessern.
  • In der beispielhaften Ausführungsform weist das Halbleiterbauelement 200' ein horizontal strukturiertes Kollektorgebiet 4 auf, das einen ersten Kollektorabschnitt 4b mit einer ersten Dotierkonzentration und zwei benachbarte zweite Kollektorabschnitte 4a mit einer höheren Dotierkonzentration als der ersten Dotierkonzentration auf. Es ist zu beachten, dass die Zeichnung von 4 nur einem Abschnitt entsprechen kann, und dass das Halbleiterbauelement 200' mehrere erste und zweite Kollektorabschnitte 4b, 4a enthalten kann.
  • Aufgrund des strukturierten Kollektorgebiets 4 des Halbleiterbauelements 200' wird der Verstärkungsfaktor αpnp des pnp-Transistors, der durch das erste p-Halbleitergebiet (Bodygebiet, in 4 nicht gezeigt), das erste n-Halbleitergebiet 1 und das zweite p-Halbleitergebiet 4 ausgebildet ist, horizontal variiert. Dies kann zum weiteren Verbessern der Weichheit des Halbleiterbauelements 200' während des Umschaltens genutzt werden. Es ist zu beachten, dass n-kanal-IGBTs als eine Darlington-Konfiguration eines n-Kanal-Feldeffekttransistors (FET) und eines pnp-Transistors betrachtet werden können.
  • Alternativ oder zusätzlich zum seitlichen Variieren der Konzentration von p-Dotierstoffen des Kollektorgebiets 4 kann eine Konzentration von n-Dotierstoffen des Feldstoppgebiets 1b in einer Schicht oder einem Abschnitt neben dem zweiten pn-Übergang 16 in einer Richtung variiert werden, die im Wesentlichen parallel zum zweiten pn-Übergang 16 verläuft, um die Rückseitenemittereffizienz seitlich zu variieren.
  • Typischerweise ist (sind) die Zone(n) 11b vertikal über dem ersten Kollektorabschnitt 4b angeordnet, d.h. sie überlappen vollständig mit dem ersten Kollektorabschnitt 4b in einer Projektion auf den zweiten pn-Übergang 16 bzw. bei Betrachtung von oben, und weisen eine niedrigere maximale Konzentration von Ladungsrekombinationszentren und/oder eine niedrigere mittlere Konzentration von Ladungsrekombinationszentren im Vergleich zu den Zonen 11a auf, die vertikal entlang der zweiten Kollektorabschnitte 4a angeordnet sind. Die Zone(n) 11b können sogar ausgelassen sein.
  • Anders gesagt ist die minimale Ladungsträgerlebenszeit typischerweise niedriger über den zweiten Kollektorabschnitten 4a im Vergleich zu den Feldstoppgebieten 1b, die vertikal über den ersten Kollektorabschnitten 4b angeordnet sind.
  • In einer anderen Ausführungsform ist ein Kollektorabschnitt 4 mit seitlich variierender Konzentration von p-Dotierstoffen mit dem Feldstoppgebiet 1b kombiniert, in dem die Konzentration von Ladungsrekombinationszentren mindestens in einem aktiven Bereich nur in der vertikalen Richtung im Wesentlichen variiert.
  • 5 stellt einen vertikalen Querschnitt durch einen vertikalen Halbleiterkörper während Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterbauelements 100 dar. In einem ersten Vorgang wird ein Halbleiterkörper 40, beispielsweise ein Wafer oder Substrat, mit einer Hauptfläche 101 und einer Rückfläche 102 gegenüber der ersten Fläche 101 vorgesehen. Die Normalrichtung der Hauptfläche 101 verläuft im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung.
  • Wie in 5 dargestellt, enthält der Halbleiterkörper 40 typischerweise eine erste n-Halbleiterschicht 1 mit einer ersten maximalen Dotierkonzentration.
  • In der beispielhaften Ausführungsform wird der Halbleiterkörper 40 mit einer ersten n-Halbleiterschicht 1 versehen, die zwischen der Hauptfläche 101 und einem pn-Übergang 16 verläuft. Der pn-Übergang 16 ist typischerweise parallel zur Hauptfläche 101 und zwischen der ersten n-Halbleiterschicht (ersten n-dotierten Halbleiterschicht) 1 und einer p-Schicht (p-dotierten Halbleiterschicht) 4 angeordnet, die zur Rückfläche 102 verläuft. Typischerweise bildet die p-Schicht 4 ein Kollektorgebiet im Halbleiterbauelement, das hergestellt werden soll, aus. Eine Konzentration von p-Dotierstoffen kann seitlich wie oben bezüglich 4 erläutert variieren.
  • In einer anderen Ausführungsform wird der pn-Übergang 16 mit der ersten Halbleiterschicht 1 durch Abscheiden oder Implantieren und anschließendes Tempern ausgebildet.
  • In einem weiteren Vorgang wird eine Ladungsträgerlebenszeit der ersten n-Halbleiterschicht 1 reduziert, sodass die Ladungsträgerlebensdauer in der vertikalen Richtung ein Minimum in einem unteren n-Abschnitt (unteren n-dotierten Abschnitt) 1b der ersten n-Halbleiterschicht 1 aufweist, wo eine Konzentration von n-Dotierstoffen mindestens nahe an einem Maximum in der vertikalen Richtung ist, typischerweise wo die Konzentration von n-Dotierstoffen ein Maximum in der vertikalen Richtung aufweist, noch typischer ein lokales Maximum. Im Halbleiterbauelement 100, das hergestellt werden soll, können der untere n-Abschnitt 1b und ein oberer n-Abschnitt 1a ein Feldstoppgebiet bzw. ein Driftgebiet ausbilden.
  • Wie oben bezüglich 1 bis 3 erläutert, weist die Konzentration von n-Dotierstoffen in der vertikalen Richtung das Maximum typischerweise in einem Übergangsgebiet 11 auf.
  • Das Reduzieren der Ladungsträgerlebenszeit kann das Eindiffundieren von Schwermetallen, wie etwa Pt, in die erste Halbleiterschicht 1, beispielsweise von der Rückfläche 102, und/oder das Implantieren von hochenergetischen Partikeln, wie etwa Elektronen, Protonen und Heliumnuklei beinhalten. Das Eindiffundieren von Schwermetallen und/oder Implantieren von hochenergetischen Partikeln kann durch eine jeweilige Maske erfolgen. Zudem kann das Eindiffundieren von Schwermetallen und Implantieren von hochenergetischen Partikeln kombiniert werden, insbesondere für stärkere Substrate mit einer vertikalen Ausdehnung von beispielsweise 400 µm, 600 µm oder mehr.
  • Das Implantieren von hochenergetischen Partikeln zum Reduzieren der Ladungsträgerlebenszeit kann typischerweise das Bestrahlen von mindestens einer der Hauptfläche 101 und der Rückfläche 102 mit ungefähr 1011 Protonen pro cm2 bis ungefähr 1012 Protonen pro cm2, typischer mit ungefähr 2*1011 Protonen pro cm2 bis ungefähr 5*1011 Protonen pro cm2 und/oder mit ungefähr 1010 Heliumnuklei pro cm2 bis ungefähr 1011 Heliumnuklei pro cm2, typischer mit ungefähr 2*1010 Heliumnuklei pro cm2 bis ungefähr 5*1010 Heliumnuklei pro cm2 beinhalten. Die Penetrationstiefe der hochenergetischen Partikeln ist durch die Partikelenergie angepasst.
  • Typischerweise werden zum Erzeugen einer vertikalen Verteilung von n-Dotierstoffen, wie oben bezüglich 2 erläutert, mehrere Implantierschritte mit verschiedenen Partikelenergien ausgeführt. Zu diesem Zweck liegt die Implantierungsdosis typischerweise in einem Bereich zwischen ungefähr 1012 Protonen pro cm2 bis ungefähr 3×1014 Protonen pro cm2.
  • Aufgrund des Implantierens von hochenergetischen Partikeln werden Defekte in der ersten n-Halbleiterschicht 1 ausgebildet, insbesondere im Reichweitenendgebiet des verwendeten Partikelstrahls in der ersten n-Halbleiterschicht 1.
  • Zum Stabilisieren der Defekte wird typischerweise ein thermaler Tempervorgang ausgeführt, sodass die Defekte als Ladungsrekombinationszentren im Halbleiterbauelement, das hergestellt werden soll, arbeiten können. Das thermische Tempern kann in einem Temperaturbereich von ungefähr 220 ºC bis ungefähr 350 ºC ausgeführt werden, wenn Silizium als Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 40 benutzt ist. Es ist zu beachten, dass die Defekte (A-Zentren und/oder Gitterdefekte) in diesem Temperaturbereich stabilisiert, jedoch nicht behoben werden. Beispielsweise kann das thermische Tempern auf einer Temperatur von ungefähr 300 ºC oder ungefähr 340 ºC ausgeführt werden. Auf ungefähr 300 ºC werden sowohl A-Zentren als auch Gitterdefekte stabilisiert, während auf ungefähr 340 ºC hauptsächlich nur A-Zentren stabilisiert werden.
  • Es ist ferner zu beachten, dass das Implantieren von Protonen und anschließende thermische Tempern außerdem die n-Dotierung selbst dann erhöht, wenn das thermische Tempern in einem Temperaturbereich von ungefähr 220 ºC bis ungefähr 350 ºC ausgeführt wird. Auf höheren Temperaturen, beispielsweise auf ungefähr 400 ºC oder darüber, werden die Gitterdefekte behoben, während die Protonen als aktive n-Dotierstoffe verbleiben. Daher kann das Implantieren und anschließende thermische Tempern auf einer Temperatur von mindestens ungefähr 400 ºC zum Erhöhen der n-Dotierung der ersten n-Halbleiterschicht 1, insbesondere ihres unteren n-Abschnitts 1b, vor dem zusätzlichen Implantieren von Protonen und anschließendem thermischen Tempern in einem Temperaturbereich von ungefähr 220 ºC bis ungefähr 350 ºC zum weiteren Erhöhen der n-Dotierung und zum Stabilisieren von Ladungsrekombinationszentren genutzt werden, sodass auf einer vertikalen Linie durch die erste n-Halbleiterschicht 1 die Konzentration von n-Dotierstoffen mindestens nahe an einem Maximum liegt, wo die Konzentration von n-Dotierstoffen ein Maximum aufweist, typischerweise ein lokales Maximum, das noch typischer das zweite oder dritte Maximum bei Zählung vom der zweiten pn-Übergang 16 aus ist, wie oben bezüglich 2 erläutert.
  • Beispielsweise kann nach (k-1) Implantierungen von Protonen mit verschiedenen Energien und anschließendem thermischen Tempern auf einer Temperatur von mindestens ungefähr 400 ºC ein weiterer Vorgang des Implantierens von Protonen mit einer Energie, die von den vorher benutzten Protonenstrahlenergien abweicht, und ein anschließendes thermisches Tempern in einem Temperaturbereich von ungefähr 220 ºC bis ungefähr 350 ºC angewendet werden. Mit geeigneten Strahlenergien kann eine vertikale Variation von n-Dotierung und Ladungsträgerlebenszeit wie oben bezüglich 2 erläutert effektiv erzielt werden (die vertikale Variation, die in der rechten Zeichnung in 2 dargestellt ist, kann mit vier Protonenimplantierungen, d.h. k = 4, erzielt werden).
  • Wenn eine Heliumbestrahlung, typischerweise von der Rückseite, zum Reduzieren der Ladungsträgerlebenszeit verwendet wird, wird die Heliumstrahlenergie typischerweise derart eingestellt, dass sein Reichweitenende mit einer protoninduzierten Donatorspitze übereinstimmt, um das Ausbilden eines unerwünschten pn-Übergang im Feldstoppgebiet zu verhindern.
  • Zum Erzielen einer seitlichen Variation der Ladungsträgerlebensdauer bzw. von Ladungsrekombinationszentren, wie oben bezüglich 3, 4 erläutert, können die hochenergetischen Partikeln durch eine Implantiermaske implantiert werden, beispielsweise eine Resistmaske oder eine SiO2-Maske. Die Implantiermaske kann vor dem Implantieren auf der Hauptfläche 101 oder Rückfläche 102 angeordnet werden. Es ist zu beachten, dass Protonen von der Hauptfläche 101 oder der Rückfläche 102 implantiert werden können, während Heliumnuklei typischerweise von der Rückfläche 102 implantiert werden. Wenn ein Halbleiterbauelement, wie in 4 dargestellt, hergestellt werden soll, entspricht die Implantiermaske typischerweise der Anlage der/des Kollektorabschnitte/s 4b, sodass weniger oder keine Protonen (und/oder Heliumnuklei) in einen Abschnitt (oder Abschnitte) 11b der ersten Halbleiterschicht 1 implantiert werden, der/die über dem/den Kollektorabschnitt/en 4b einer strukturierten p-Schicht 4 angeordnet sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine weiterer pn-Übergang (in 5 nicht gezeigt), in oder an der ersten Halbleiterschicht 1 ausgebildet, der im Wesentlichen parallel zum pn-Übergang 16 ist, sodass auf einem kürzesten Weg durch die erste n-Halbleiterschicht 1, d.h. auf einer im Wesentlichen vertikale Linien, zwischen dem pn-Übergang 16 und dem weiteren pn-Übergang eine Konzentration von Ladungsrekombinationszentren ein Maximum an einem Punkt sb aufweist, wo eine Konzentration von n-Dotierstoffen mindestens nahe an einer maximalen Dotierkonzentration liegt.
  • Typischerweise ist ein Linienintegral L der n-Dotierstoffkonzentration, das durch Integrieren entlang des kürzesten Wegs und zwischen dem weiteren pn-Übergang und dem Punkt sb , wo die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren eine maximale Konzentration aufweist oder mindestens nahe daran liegt, bzw. wo die Ladungsträgerlebenszeit ein Minimum aufweist oder mindestens nahe daran liegt, erhalten ist, im Wesentlichen kleiner, typischer im Bereich von ungefähr 60% bis ungefähr 90%, als die Durchbruchsladung des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers dividiert durch die Elementarladung.
  • Typischerweise wird mindestens eine isolierte Gateelektrode neben dem weiteren pn-Übergang ausgebildet. Dies kann das Ätzen von mindestens einem vertikalen Graben durch den weiteren pn-Übergang, das Isolieren von mindestens einer Seitenwand und einer Bodenwand des mindestens einen vertikalen Grabens und das mindestens teilweise Füllen des mindestens einen vertikalen Grabens mit einem leitenden Material beinhalten. Es ist zu beachten, dass alle Vorgänge, die höhere Temperaturen als ungefähr 350 º erfordern, wie etwa das Ausbilden eines thermischen Oxids zum Isolieren der Seitenwände und/oder der Bodenwand des mindestens einen vertikalen Grabens, vor dem Implantieren von Protonen zum Reduzieren der Ladungsträgerlebenszeit auszuführen sind.
  • Obgleich verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erzielen, ohne von Umfang und Wesen der Erfindung abzuweichen. Es ist für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass andere Komponenten, die dieselbe Funktion ausführen, sachdienlich ausgetauscht werden können. Man sollte beachten, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine bestimmte Figur erläutert wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in den Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich angegeben wurde. Es ist beabsichtigt, dass derartige Modifikationen des Erfindungskonzepts durch die beiliegenden Ansprüche abgedeckt sind.
  • Räumlich bezogene Begriffe, wie etwa „unter“, „unterhalb“, „untere/r/s“, „über“, „obere/r/s“ sind zur Erleichterung der Beschreibung zum Erläutern der Positionierung von einem Element bezüglich eines zweiten Elements benutzt. Es ist beabsichtigt, dass diese Begriffe verschiedene Ausrichtungen des Bauelements zusätzlich zu verschiedenen Ausrichtungen wie jenen, die in den Figuren dargestellt sind, erfassen. Ferner sind Begriffe wie etwa „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und dergleichen außerdem zum Beschreiben von verschiedenen Elementen, Gebieten, Abschnitten usw. benutzt und nicht als einschränkend zu verstehen. Gleichartige Begriffe bezeichnen in der Beschreibung durchwegs gleichartige Elemente.
  • Die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“, „beinhalten“, „umfassen“ und dergleichen sind, wie sie hierin benutzt sind, offene Begriffe, die das Vorhandensein von angeführten Elementen oder Merkmalen anzeigen, zusätzliche Elemente oder Merkmale jedoch nicht ausschließen. Die Artikel „ein/e“ und „der/die/das“ sollen sowohl den Plural als auch den Singular einschließen, falls im Text nicht deutlich anders angegeben.

Claims (30)

  1. Bipolarer Halbleiterschalter (100), umfassend einen Halbleiterkörper (40), der Folgendes umfasst: - ein erstes p-dotiertes Halbleitergebiet (2); - ein zweites p-dotiertes Halbleitergebiet (4); und - ein erstes n-dotiertes Halbleitergebiet (1), das einen ersten pn-Übergang (14) mit dem ersten p-dotierten Halbleitergebiet (2) und einen zweiten pn-Übergang (16) mit dem zweiten p-dotierten Halbleitergebiet (4) bildet; wobei auf einem kürzesten Weg (s) durch das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1) zwischen dem ersten pn-Übergang (14) und dem zweiten pn-Übergang (16) eine Konzentration von Ladungsrekombinationszentren und eine Konzentration von n-Dotierstoffen derart variiert, dass die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren an einem Punkt entlang des kürzesten Wegs (s) ein Maximum aufweist, an dem die Konzentration von n-Dotierstoffen ein lokales Maximum aufweist, dessen Konzentrationswert geringer ist als eine maximale Konzentration der n-Dotierstoffe auf dem Weg (s).
  2. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach Anspruch 1, wobei die Konzentration von n-Dotierstoffen an dem Punkt im Wesentlichen mit der maximalen Dotierstoffkonzentration übereinstimmt.
  3. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1) ein Halbleitermaterial mit einer Durchbruchsladung aufweist, und wobei ein Linienintegral einer Konzentration von n-Dotierstoffen entlang des kürzesten Wegs (s) und integriert zwischen der ersten pn-Übergang (14) und dem Punkt kleiner als die Durchbruchsladung dividiert durch die Elementarladung ist.
  4. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1) ein Halbleitermaterial mit einer Durchbruchsladung aufweist, und wobei ein Linienintegral einer Konzentration von n-Dotierstoffen entlang des kürzesten Wegs (s) und integriert zwischen dem ersten pn-Übergang (14) und dem Punkt in einem Bereich von ungefähr 60% bis ungefähr 90% der Durchbruchsladung dividiert durch die Elementarladung liegt.
  5. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste pn-Übergang (14) und der zweite pn-Übergang (16) im Wesentlichen parallel sind.
  6. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Konzentration von Ladungsrekombinationszentren, eine Konzentration von p-Dotierstoffen des zweiten p-dotierten Halbleitergebiets (4) und / oder eine Konzentration von n-Dotierstoffen des ersten n-dotierten Halbleitergebiets (1) in einer Richtung variiert, die im Wesentlichen parallel zum zweiten pn-Übergang (16) ist.
  7. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1) einen ersten Abschnitt (1a) aufweist, der an das erste p-dotierte Halbleitergebiet (2) angrenzt, wobei das erste n-dotiertes Halbleitergebiet (1) einen zweiten Abschnitt (1b) aufweist, der an das zweite p-dotierte Halbleitergebiet (4) angrenzt und eine höhere Maximaldotierkonzentration als der erste Abschnitt (1a), eine höhere mittlere Konzentration der Ladungsrekombinationszentren als der erste Abschnitt (1a) und / oder eine niedrigere maximale Ladungsträgerlebenszeit als der erste Abschnitt (1a) aufweist.
  8. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach Anspruch 7, wobei der erste Abschnitt (1a) in einer vertikalen Richtung, die im Wesentlichen rechtwinklig zum zweiten pn-Übergang (16) ist, eine vertikale Ausdehnung aufweist, wobei die Ladungsträgerlebenszeit als Funktion eines vertikalen Abstands zum zweiten pn-Übergang (16) in einem Bereich zwischen einem ersten Wert, der ungefähr 10% der vertikalen Ausdehnung entspricht, und einem zweiten Wert, der ungefähr 80% der vertikalen Ausdehnung entspricht, niedriger ist als außerhalb des Bereichs.
  9. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1) Protonen als Donatoren aufweist.
  10. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend mehrere isolierte Gateelektroden, die sich durch den ersten pn-Übergang (14) erstrecken.
  11. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der bipolare Halbleiterschalter (100) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem IGBT, einem Thyristor und einem bipolaren Transistor besteht.
  12. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das zweite p-dotierte Halbleitergebiet (4) einen ersten Abschnitt (4b), der an das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1, 1b) angrenzt und eine erste maximale Dotierkonzentration aufweist, und einen zweiten Abschnitt (4a) aufweist, der an das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1, 1b) angrenzt und eine zweite maximale Dotierkonzentration aufweist, die höher als die erste maximale Dotierkonzentration ist, und wobei das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1, 1b) eine erste Zone (11b), die mit dem ersten Abschnitt (4b) in einer Projektion auf den zweiten pn-Übergang (16) überlappt, und eine zweite Zone (11a) aufweist, die mit dem zweiten Abschnitt (4a) in der Projektion auf den zweiten pn-Übergang (16) überlappt und eine höhere Konzentration von Ladungsrekombinationszentren als die erste Zone (11b) aufweist.
  13. Bipolarer Halbleiterschalter (100), umfassend einen Halbleiterkörper (40), der Folgendes umfasst: - ein erstes p-dotiertes Halbleitergebiet (2); - ein zweites p-dotiertes Halbleitergebiet (4); und - ein erstes n-dotiertes Halbleitergebiet (1), das einen ersten pn-Übergang (14) mit dem ersten p-dotierten Halbleitergebiet (2) und einen zweiten pn-Übergang (16) mit dem zweiten p-dotierten Halbleitergebiet (4) bildet; wobei auf einem kürzester Weg (s) durch das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1) zwischen dem ersten pn-Übergang (14) und dem zweiten pn-Übergang (16) eine Konzentration von Ladungsrekombinationszentren und eine Konzentration von n-Dotierstoffen derart variiert, dass die Konzentration der Ladungsrekombinationszentren an einem Punkt entlang des kürzesten Wegs (s) ein Maximum aufweist, an dem die Konzentration von n-Dotierstoffen mindestens nahe an einer maximalen Dotierstoffkonzentration liegt, wobei das zweite p-dotierte Halbleitergebiet (4) einen ersten Abschnitt (4b), der an das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1, 1b) angrenzt und eine erste maximale Dotierkonzentration aufweist, und einen zweiten Abschnitt (4a), der an das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1, 1b) angrenzt und eine zweite maximale Dotierkonzentration aufweist, die höher als die erste maximale Dotierkonzentration ist, aufweist, und wobei das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1, 1b) eine erste Zone (11b), die mit dem ersten Abschnitt (4b) in einer Projektion auf den zweiten pn-Übergang (16) überlappt, und eine zweite Zone (11a), die mit dem zweiten Abschnitt (4a) in der Projektion auf den zweiten pn-Übergang (16) überlappt und eine höhere Konzentration von Ladungsrekombinationszentren als die erste Zone (11b) aufweist, aufweist.
  14. Bipolarer Halbleiterschalter (100), umfassend einen Halbleiterkörper (40) aus einem Halbleitermaterial, wobei der Halbleiterkörper (40) aufweist: - ein erstes p-dotiertes Halbleitergebiet (2); - ein zweites p-dotiertes Halbleitergebiet (4); - ein erstes n-dotiertes Halbleitergebiet (1), das einen ersten pn-Übergang (14) mit dem ersten p-dotierten Halbleitergebiet (2) bildet und einen zweiten pn-Übergang (16) mit dem zweiten p-dotierten Halbleitergebiet (4) bildet, und das einen sich bis zum ersten pn-Übergang (14) erstreckenden oberen Abschnitt (1a) und einen sich zwischen dem oberen Abschnitt (1a) und dem zweiten pn-Übergang (16) erstreckenden unteren Abschnitt (1b) aufweist, der eine höhere Konzentration von n-Dotierstoffen und eine niedrigere Ladungsträgerlebenszeit als der obere Abschnitt (1a) aufweist, wobei der untere Abschnitt (1b) ein vom oberen Abschnitt (1a) und dem zweiten pn-Übergang (16) beabstandetes Übergangsgebiet (11) aufweist, in dem die Ladungsträgerlebenszeit niedriger ist als im Rest des unteren Abschnitts (1b) und im oberen Abschnitt (1a), und wobei sich die Ladungsträgerlebenszeit im Übergangsgebiet (11) auf einer zum ersten pn-Übergang (14) und /oder zum zweiten pn-Übergang (16) parallelen Linie nicht ändert, wobei in einem vertikalen Querschnitt, der im Wesentlichen rechtwinklig zum ersten pn-Übergang (14) und /oder zum zweiten pn-Übergang (16) ist, eine Durchbruchsladung des Halbleitermaterials dividiert durch die Elementarladung größer als ein Integral ist, das durch Integrieren einer Konzentration von n-Dotierstoffen entlang einer im Wesentlichen vertikalen Linie zwischen dem ersten pn-Übergang (14) und einem Punkt im Übergangsgebiet (11) erhalten werden kann, an dem die Ladungsträgerlebenszeit im ersten n-dotierten Halbleitergebiet (1) mindestens nahe bei einem Minimalwert liegt.
  15. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach Anspruch 14, wobei das Integral in einem Bereich von ungefähr 60% bis ungefähr 90% der Durchbruchsladung dividiert durch die Elementarladung liegt.
  16. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Ladungsträgerlebensdauer an dem Punkt im Wesentlichen dem Minimalwert entspricht.
  17. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Konzentration von n-Dotierstoffen entlang der im Wesentlichen vertikalen Linie (s) ein Maximum aufweist, das im Wesentlichen nahe an dem Punkt liegt.
  18. Bipolarer Halbleiterschalter (100), aufweisend einen Halbleiterkörper (40) aufweisend: - ein erstes p-dotiertes Halbleitergebiet (2); - ein zweites p-dotiertes Halbleitergebiet (4); und - ein erstes n-dotiertes Halbleitergebiet (1), das einen ersten pn-Übergang (14) mit dem ersten p-dotierten Halbleitergebiet (2) und einen zweiten pn-Übergang (16) mit dem zweiten p-dotiertes Halbleitergebiet (4) bildet, und das einen sich bis zum ersten pn-Übergang (14) erstreckenden oberen Abschnitt (1a) und einen sich zwischen dem oberen Abschnitt (1a) und dem zweiten pn-Übergang (16) erstreckenden unteren Abschnitt (1b) aufweist; wobei eine Konzentration von n-Dotierstoffen auf einem kürzesten Weg (s) durch das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1) zwischen dem ersten pn-Übergang (14) und dem zweiten pn-Übergang (16) im unteren Abschnitt (1b) mindestens zwei Maximalwerte aufweist und eine Ladungsträgerlebenszeit im unteren Abschnitt (1b) ein Minimum aufweist, das mindestens nahe an mindestens einem der mindestens zwei Maximalwerte angeordnet ist und wobei die Ladungsträgerlebenszeit im oberen Abschnitt (1a) höher als im unteren Abschnitt (1b) ist.
  19. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach Anspruch 18, wobei das Minimum mindestens nahe an einem zweiten Maximum oder einem dritten Maximum der mindestens zwei Maximalwerte liegt, wobei sich das zweite Maximum zwischen dem zweiten pn-Übergang (16) und dem dritten Maximum befindet.
  20. Bipolarer Halbleiterschalter (100) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei das erste n-dotierte Halbleitergebiet (1) ein Halbleitermaterial mit einer Durchbruchsladung aufweist, und wobei ein Linienintegral einer Konzentration von n-Dotierstoffen entlang des kürzesten Wegs (s) und integriert zwischen dem ersten pn-Übergang (14) und einem Punkt, an dem die Ladungsträgerlebenszeit im ersten n-dotierten Halbleitergebiet (1) im Wesentlichen nahe dem Minimum ist, kleiner als die Durchbruchsladung dividiert durch die Elementarladung ist.
  21. Verfahren zum Bilden eines bipolaren Halbleiterschalters (100), umfassend: - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (40), der eine Hauptfläche (101), eine Rückfläche (102), die gegenüber der Hauptfläche (101) angeordnet ist, und eine erste Halbleiterschicht (1) aufweist; und - Reduzieren einer Ladungsträgerlebensdauer, umfassend Eindiffundieren von Schwermetall in die erste Halbleiterschicht (1), Implantieren von Protonen in die erste Halbleiterschicht (1) und / oder Implantieren von Heliumkernen in die erste Halbleiterschicht (1), sodass die Ladungsträgerlebenszeit in einer vertikalen Richtung, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Hauptfläche (101) verläuft, ein Minimum in einem unteren n-dotierten Abschnitt (11, 1b) der ersten Halbleiterschicht (1) aufweist, wo eine Konzentration von n-Dotierstoffen im Wesentlichen nahe einem Maximum ist und dass ein sich bis zum ersten pn-Übergang (14) erstreckender oberer n-dotierter Abschnitt (1a) der ersten Halbleiterschicht (1) eine niedrigere Konzentration von n-Dotierstoffen und eine höhere Ladungsträgerlebenszeit (τ) als der untere n-dotierte Abschnitt (1b) aufweist, wobei der untere Abschnitt (1b) ein vom oberen Abschnitt (1a) und dem zweiten pn-Übergang (16) beabstandetes Übergangsgebiet (11) aufweist, in dem die Ladungsträgerlebenszeit (τ) niedriger ist als im Rest des unteren Abschnitts (1b) und im oberen Abschnitt (1a).
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Reduzieren der Ladungsträgerlebenszeit ferner thermisches Ausheilen aufweist.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das thermische Ausheilen in einem Temperaturbereich von ungefähr 220 °C bis ungefähr 350 °C ausgeführt wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei das Implantieren mindestens eines des Folgenden umfasst: Bestrahlen von mindestens einer der Hauptfläche (101) und der Rückfläche (102) mit ungefähr 1011 Protononen pro cm2 bis ungefähr 1012 Protonen pro cm2; und Bestrahlen der Rückfläche (102) mit ungefähr 1010 Heliumkernen pro cm2 bis ungefähr 1011 Heliumkernen pro cm2.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, ferner umfassend das Ausbilden einer Implantiermaske auf mindestens der Hauptfläche (101) und /oder der Rückfläche (102) vor dem Implantieren.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, ferner umfassend Implantieren von Protonen in die Halbleiterschicht (1) und thermisches Ausheilen bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 400 °C, sodass die n-Dotierung des unteren n-dotierten Abschnitts erhöht ist.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, ferner umfassend: - Ausbilden eines pn-Übergang (16) in oder an der ersten Halbleiterschicht (1); - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (40) mit einer p-dotierten Schicht (4), die einen pn-Übergang (16) mit der ersten Halbleiterschicht (1) bildet; - Ausbilden eines weiteren pn-Übergangs (14) in oder an der ersten Halbleiterschicht (1), der im Wesentlichen parallel zum pn-Übergang (16) ist, sodass auf einem kürzesten Weg (s) durch die erste Halbleiterschicht (1) zwischen dem pn-Übergang (16) und dem weiteren pn-Übergang (14) eine Konzentration von Ladungsrekombinationszentren ein Maximum an einem Punkt (sb) aufweist, an dem eine Konzentration von n-Dotierstoffen mindestens nahe an einer maximalen Dotierstoffkonzentration ist; - Ausbilden von mindestens einer isolierten Gateelektrode benachbart zum weiteren pn-Übergang (14); - Ätzen von mindestens einem vertikalen Graben (50) durch den weiteren pn-Übergang (14); - Isolieren von mindestens einer Seitenwand und einer Bodenwand des mindestens einen vertikalen Grabens (50); und - mindestens teilweises Füllen des mindestens einen vertikalen Grabens (50) mit einem leitenden Material.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, ferner umfassend das Ausbilden eines pn-Übergang (14) in oder an der ersten Halbleiterschicht (1), wobei die erste Halbleiterschicht (1) ein Halbleitermaterial mit einer Durchbruchsladung aufweist, und wobei ein Linienintegral einer Konzentration von n-Dotierstoffen entlang einer Linie (s), die im Wesentlichen rechtwinklig zum weiteren pn-Übergang (14) verläuft, und integriert zwischen dem ersten pn-Übergang (14) und einem Punkt (sb), an dem die Ladungsträgerlebenszeit im Wesentlichen nahe dem Minimum ist, kleiner als die Durchbruchsladung dividiert durch die Elementarladung ist.
  29. Verfahren nach Anspruch 27, wobei eine Konzentration von p-Dotierstoffen der p-dotierten Schicht (4) in einer Richtung variiert, die im Wesentlichen parallel zum pn-Übergang (16), dem weiteren pn-Übergang (14) und / oder der Hauptfläche (101) verläuft; und wobei mindestens weniger Protonen und/oder mindestens weniger Heliumkerne in eine Zone (11b) der ersten Halbleiterschicht (1) implantiert werden, wobei die Zone (11b) über einem Abschnitt (4b) der p-dotierten Schicht mit einer niedrigeren Dotierstoffkonzentration als ein angrenzender Abschnitt (4a) der p-dotierten Schicht angeordnet ist.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, wobei die Konzentration von n-Dotierstoffen der ersten Halbleiterschicht (1) in der vertikalen Richtung mindestens zwei Maximalwerte aufweist, und wobei sich das Minimum der Ladungsträgerlebenszeit mindestens nahe an einem der mindestens zwei Maximalwerte befindet.
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