DE102014117364A1 - Halbleitervorrichtung und bipolartransistor mit isoliertem gate mit barrierebereichen - Google Patents

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Johannes Georg Laven
Roman Baburske
Christian Jäger
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Abstract

In einer Halbleitervorrichtung (500) ist ein Barrierebereich (115) sandwichartig zwischen einem Driftbereich (120) und einem Ladungsträgertransferbereich (115) vorgesehen. Die Barriere- und Ladungsträgertransferbereiche (117, 115) bilden einen pn-Übergang. Die Barriere- und Driftbereiche (117, 120) bilden einen Homoübergang. Eine mittlere Fremdstoffkonzentration in dem Barrierebereich (117) ist wenigstens zehnmal so hoch wie eine Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich (120). Eine Steuerstruktur (180) ist angeordnet, um eine Inversionsschicht in den Drift- und Barrierebereichen (120, 117) in einem Inversionszustand zu bilden. Keine Inversionsschicht ist in den Drift- und Barrierebereichen (120, 117) in einem Nicht-Inversionszustand gebildet.

Description

  • HINTERGRUND
  • In Halbleitervorrichtungen, wie Halbleiterdioden und IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) fluten bewegliche Ladungsträger die Halbleiterbereiche auf beiden Seiten eines vorwärts bzw. in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Überganges und können ein Ladungsträgerplasma bilden, das einen niedrigen Vorwärts- bzw. Durchlass- oder Einschaltwiderstand der Halbleitervorrichtung liefert, das jedoch in einer Rückwärtserholungsperiode entfernt werden muss, wenn sich der pn-Übergang von vorwärts vorgespannt nach rückwärts vorgespannt ändert. Der Rückwärtserholungsprozess trägt zu den dynamischen Schaltverlusten der Halbleitervorrichtung bei. Ein Entsättigungszyklus entfernt teilweise das Ladungsträgerplasma vor Schalten des pn-Überganges von vorwärts vorgespannt nach rückwärts vorgespannt, um die dynamischen Schaltverluste zu reduzieren. Es ist wünschenswert, Halbleitervorrichtungen mit verbesserten Schalteigenschaften vorzusehen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung, einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate und eine Halbleiterdiode anzugeben, welche jeweils den obigen Forderungen genügen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate mit den Merkmalen des Patentanspruches 18 und eine Halbleiterdiode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die einen Barrierebereich umfasst, der sandwichartig zwischen einem Driftbereich und einem Ladungsträgertransferbereich bzw. -übertragungsbereich vorgesehen ist. Die Barriere- und Ladungsträgertransferbereiche bilden einen pn-Übergang. Die Barriere- und Driftbereiche bilden einen Homoübergang. Eine mittlere Fremdstoff- bzw. Dotierstoffkonzentration in dem Barrierebereich ist wenigstens zehnmal so hoch wie eine Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich. Eine Steuerstruktur ist angeordnet, um eine Inversionsschicht in den Drift- und Barrierebereichen in einem Inversionszustand zu bilden. Keine Inversionsschicht wird in den Drift- und Barrierebereichen in einem Nicht-Inversionszustand gebildet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate eine Transistorzelle und eine Hilfszelle. Die Hilfszelle umfasst einen Barrierebereich, der sandwichartig zwischen dem Driftbereich und einem Ladungsträgertransferbereich vorgesehen ist, wobei die Barriere- und Ladungsträgertransferbereiche einen pn-Übergang und die Barriere- und Driftbereiche einen Homoübergang bilden. Eine Fremdstoffkonzentration in dem Barrierebereich ist wenigstens zehnmal so hoch wie eine Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Halbleiterdiode, die eine Steuerstruktur und einen Barrierebereich aufweist. Die Steuerstruktur erstreckt sich von einer ersten Oberfläche in einen Halbleiterkörper und umfasst eine Steuerelektrode und ein Steuerdielektrikum zwischen dem Halbleiterkörper auf einer ersten Seite und der Steuerelektrode an einer zweiten Seite entgegengesetzt zu der ersten Seite. Der Barrierebereich ist sandwichartig zwischen einem Driftbereich und einem Ladungsträgertransferbereich in dem Halbleiterkörper vorgesehen, wobei die Barriere- und Ladungsträgertransferbereiche einen pn-Übergang und die Barriere- und Driftbereiche einen Homoübergang bilden. Eine Fremdstoffkonzentration in dem Barrierebereich ist wenigstens zehnmal so hoch wie eine Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZRBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung der Erfindung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen, die auf steuerbare Hilfszellen bezogen sind.
  • 2A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleiterdiode mit steuerbaren Injektionszellen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 2B ist ein schematisches Zeitdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben der Halbleiterdiode von 2A veranschaulicht.
  • 3A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines RC-IGBT (rückwärts leitender IGBT) mit steuerbaren Injektionszellen gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine getrennte Steuerung von Injektions- und Transistorzellen vorsieht.
  • 3B ist ein schematisches Zeitdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben des RC-IGBT von 3A veranschaulicht.
  • 4A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines RC-IGBT mit steuerbaren Injektionszellen gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine kollektive Steuerung von Injektions- und Transistorzellen vorsieht.
  • 4B ist ein schematisches Zeitdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben des RC-IGBT von 4A veranschaulicht.
  • 4C ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines RC-IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das steuerbare Injektionszellen sowie Leer- bzw. Ruhezellen vorsieht.
  • 4D ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines RC-IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das kollektiv steuerbare Hilfs- und Transistorzellen sowie Leer- bzw. Ruhezellen vorsieht.
  • 4E ist ein schematisches Diagramm, das die Diodenkennlinien des RC-IGBT von 4D in einem rückwärts leitenden Modus bei verschiedenen Gatespannungen zeigt.
  • 4F ist ein schematisches Diagramm, das die Diodenkennlinien des RC-IGBT von 4D in dem rückwärts leitenden Modus bei verschiedenen Implantationsdosen für einen Barrierebereich zeigt.
  • 5A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines Nicht-RC-IGBT gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, das eine getrennte Steuerung von Entsättigungs- und Transistorzellen vorsieht.
  • 5B ist ein schematisches Zeitdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben des Nicht-RC-IGBT von 5A veranschaulicht.
  • 6A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines Nicht-RC-IGBT gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, das eine kollektive Steuerung von Entsättigungs- und Transistorzellen unter Verwendung eines Spannungsschiebers vorsieht.
  • 6B ist ein schematisches Zeitdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben des Nicht-RC-IGBT von 6A.
  • 6C ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das auf Nicht-RC-IGBTs mit kollektiv steuerbaren Entsättigungs- und Transistorzellen unter Verwendung von Steuerdielektrika, die feste negative Ladungen enthalten, bezogen ist.
  • 6D ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines Nicht-RC-IGBT mit kollektiv gesteuerten Entsättigungs- und Transistorzellen unter Verwendung von Steuerdielektrika, die feste negative Ladungen enthalten, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das auf abwechselnd angeordnete Entsättigungs- und Transistorzellen bezogen ist.
  • 6E ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines Nicht-RC-IGBT mit kollektiv gesteuerten Entsättigungs- und Transistorzellen sowie einer Tiefpassschaltung.
  • 7 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleiterdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ungesteuerte Hilfszellen vorsieht.
  • 8 ist eine Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß Ausführungsbeispielen, die ungesteuerte Hilfszellen vorsehen.
  • 9A ist eine schematische Draufsicht eines Halbleiterkörpers einer Halbleiterdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gleichmäßig verteilte kompakte Steuerstrukturen für Hilfszellen vorsieht.
  • 9B ist eine schematische Draufsicht eines Halbleiterkörpers einer Halbleiterdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel, das streifenförmige Steuerstrukturen für Hilfszellen vorsieht.
  • 9C ist eine schematische Draufsicht eines Halbleiterkörpers einer Halbleiterdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine gitterförmige Steuerstruktur für eine Hilfszelle vorsieht.
  • 9D ist eine schematische Draufsicht eines Halbleiterkörpers einer Halbleiterdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ungleichmäßig verteilte kompakte Steuerstrukturen für Hilfszellen vorsieht.
  • 10A ist eine schematische Draufsicht eines Halbleiterkörpers einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gleichmäßig verteilte kompakte Steuerstrukturen für Hilfs- und Gatestrukturen für Transistorzellen vorsieht.
  • 10B ist eine schematische Draufsicht eines Halbleiterkörpers einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das regelmäßig angeordnete Steuerstrukturen für Hilfs- und Gatestrukturen für Transistorzellen umfasst.
  • 10C ist eine schematische Draufsicht eines Halbleiterkörpers einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine gitterförmige Steuerstruktur für eine Hilfszelle und Transistorzellen, die in den Maschen der Entsättigungszelle gebildet sind, umfasst.
  • 10D ist eine schematische Draufsicht eines Halbleiterkörpers einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine rahmenähnliche Steuerstruktur für eine Hilfszelle und gleichmäßig erteilte kompakte Gatestrukturen für Transistorzellen umfasst.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Begriff ”elektrisch verbunden” beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Begriff ”elektrisch gekoppelt” umfasst, dass ein oder mehrere dazwischen liegende Elemente, die für eine Signalübertragung geeignet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorgesehen sein können, beispielsweise Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentration durch Angabe von ”–” oder ”+” nächst zu dem Dotierungstyp ”n” oder ”p”. Beispielsweise bedeutet ”n–” eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines ”n”-Dotierungsbereiches ist, während ein ”n+”-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein ”n”-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene ”n”-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • 1A zeigt einen Teil einer Halbleitervorrichtung 500, die eine Halbleiterdiode oder ein IGBT sein kann, beispielsweise ein RB-IGBT (rückwärts sperrender IGBT) oder ein RC-IGBT (rückwärts leitender IGBT). Ein Halbleiterkörper 100 der Halbleitervorrichtung 500 ist aus einem einkristallinen Halbleitermaterial vorgesehen, beispielsweise Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Germanium (Ge), einen Silizium-Germanium-Kristall (SiGe), Galliumnitrid (GaN) oder Galliumarsenid (GaAs) als Beispiele.
  • Der Halbleiterkörper 100 hat eine erste Oberfläche 101, die angenähert planar sein kann oder die durch eine Ebene gegeben sein kann, die durch koplanare Oberflächenabschnitte aufgespannt ist, sowie eine hauptsächlich planare zweite Oberfläche 102 parallel zu der ersten Oberfläche 101. Ein Mindestabstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 ist gewählt, um eine spezifizierte Spannungssperrfähigkeit der Halbleitervorrichtung 500 zu erreichen. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 90 μm bis 110 μm für einen IGBT sein, der für eine Sperrspannung von etwa 1200 V ausgelegt ist. Andere Ausführungsbeispiele, die auf PT-IGBTs (Punch-Through- bzw. Durchgriff-IGBTs) oder IGBTs mit hohen Sperrfähigkeiten bezogen sind, können Halbleiterkörper 100 mit einer Dicke von einigen 100 μm vorsehen.
  • In einer Ebene senkrecht zu der Schnittebene kann der Halbleiterkörper 100 eine rechteckförmige Gestalt mit einer Rand- bzw. Kantenlänge in dem Bereich von einigen Millimetern haben. Eine Normale zu der ersten Oberfläche 101 definiert eine vertikale Richtung, und Richtungen orthogonal zu der vertikalen Richtung sind laterale Richtungen.
  • Der Halbleiterkörper 100 umfasst einen Driftbereich 120 eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Ladungsträgertransferbereich 115 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp ist, zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem Driftbereich 120 sowie eine Sockelschicht 130 zwischen dem Driftbereich 120 und der zweiten Oberfläche 102.
  • Für die dargestellten Ausführungsbeispiele ist der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ, und der zweite Leitfähigkeitstyp ist ein p-Typ. Ähnliche Überlegungen, wie unten angeführt, gelten für Ausführungsbeispiele, bei denen der erste Leitfähigkeitstyp der p-Typ ist, während der zweite Leitfähigkeitstyp der n-Typ ist.
  • Eine Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich 120 kann graduell oder in Stufen mit zunehmendem Abstand zu der ersten Oberfläche 101 wenigstens in Teilen von deren vertikaler Ausdehnung zunehmen oder abnehmen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen, kann die Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich 120 angenähert gleichmäßig sein. Eine mittlere Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich 120 kann zwischen 1 × 1012 (1E12) cm–3 und 1 × 1015 (1E15) cm–3 sein, beispielsweise in einem Bereich von 5 × 1012 (5E12) cm–3 bis 5 × 10 (5E13) cm–3.
  • Die Sockelschicht 130 kann den ersten Leitfähigkeitstyp in dem Fall, dass die Halbleitervorrichtung 500 eine Halbleiterdiode ist, den zweiten Leitfähigkeitstyp in dem Fall, dass die Halbleitervorrichtung ein Nicht-RC-IGBT ist, haben oder kann Zonen von beiden Leitfähigkeitstypen umfassen, die sich zwischen dem Driftbereich 120 und der zweiten Oberfläche 102 in einem Fall erstrecken, dass die Halbleitervorrichtung 500 ein RC-IGBT ist. Eine mittlere Fremdstoffkonzentration für eine p-Typ-Sockelschicht 130 oder p-Typ-Zonen der Sockelschicht 130 kann wenigstens 1 × 1016 (1E16) cm–3, beispielsweise wenigstens 5 × 1017 (5E17) cm–3 betragen.
  • Der Ladungsträgertransferbereich 115 kann direkt an die erste Oberfläche 101 angrenzen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Ladungsträgertransferbereich 115 auf einer Oberseite eines Hilfsmesaabschnittes 194 gebildet sein, wobei jeder Hilfsmesaabschnitt 194 direkt an eine Steuerstruktur 180 angrenzt.
  • Ein Barrierebereich 117, der sandwichartig zwischen dem Ladungsträgertransferbereich 115 und dem Driftbereich 120 liegt, bildet einen pn-Übergang mit dem Ladungsträgertransferbereich 115 und einen Homoübergang mit dem Driftbereich 120. Der Barrierebereich 117 hat den ersten Leitfähigkeitstyp. Eine mittlere Fremdstoffkonzentration in dem Barrierebereich 117 ist wenigstens zehnmal so hoch wie eine mittlere Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich 120. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mittlere Fremdstoffkonzentration in dem Barrierebereich 117 von 1 × 1016 (1E16) cm–3 bis 1 × 1018 (1E18) cm–3 reichen, beispielsweise von 1 × 1017 (1E17) bis 5 × 1017 (5E17) cm–3. Die Fremdstoffe können Phosphor-(P-), Arsen-(As-), Selen-(Se-) und/oder Schwefel-(S-)Atome/Ionen sein.
  • Wenn der pn-Übergang zwischen dem Ladungsträgertransferbereich 115 und dem Barrierebereich 117 vorwärts bzw. in Durchlassrichtung vorgespannt ist, injiziert der Ladungsträgertransferbereich 115 Majoritätstyp-Ladungsträger durch den Barrierebereich 117 in den Driftbereich 120. Im Fall einer Halbleiterdiode ist der Ladungsträgertransferbereich 115 als ein Anodenbereich wirksam, der mit einer Anodenelektrode verbunden ist. Für RC-IGBTs ist der Ladungsträgertransferbereich 115 als der Anodenbereich der Rückwärts- bzw. Sperrdiode wirksam. In dem Fall von Nicht-RC-IGBTs trägt der Ladungsträgertransferbereich 115 eine Extraktion von Ladungsträgern von dem Driftbereich 120 in einer Entsättigungsperiode.
  • Die Steuerstruktur 180 kann sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 wenigstens herab zu der Driftzone 120 erstrecken. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Steuerstruktur 180 in den Driftbereich 120. Die Steuerstruktur 180 kann eine leitende Steuerelektrode 189 und ein die Steuerelektrode 189 von dem Halbleiterkörper 100 trennendes Steuerdielektrikum 185 umfassen. Das Steuerdielektrikum 185 ist zwischen dem Barrierebereich 117 und dem Driftbereich 120 auf der einen Seite und der Steuerelektrode 189 auf der anderen Seite gebildet.
  • Das Steuerdielektrikum 185 kann eine gleichmäßige Dicke haben. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann ein Bodenteil des Steuerdielektrikums 185, ausgerichtet zu der zweiten Oberfläche 102, dicker sein als ein Oberseitenteil, ausgerichtet zu der ersten Oberfläche 101. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Steuerstruktur 180 eine Feldelektrode eines leitenden Materials umfassen. Die Feldelektrode ist dielektrisch von der Gateelektrode 189 isoliert und zwischen der Gateelektrode 189 und der zweiten Oberfläche 102 angeordnet. Eine Feldelektrode oder ein dickes Steuerdielektrikum längs des Driftbereiches 120 kann eine kapazitive Kopplung zwischen dem Driftbereich 120 und der Steuerelektrode 189 reduzieren und stabilisiert das an der Steuerelektrode 189 liegende Potential.
  • Die Steuerelektrode 189 kann eine homogene Struktur sein oder kann eine geschichtete Struktur aufweisen, die eine oder mehrere metallenthaltende Schichten umfasst. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerelektrode 189 eine stark dotierte polykristalline Siliziumschicht umfassen oder aus einer solchen bestehen.
  • Das Steuerdielektrikum 185 kann ein Halbleiteroxid, beispielsweise ein thermisch gewachsenes oder aufgetragenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, beispielsweise ein aufgetragenes oder thermisch gewachsenes Siliziumnitrid oder ein Halbleiteroxynitrid, beispielsweise Siliziumoxidnitrid, umfassen oder jeweils aus diesen Materialien bestehen.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 kann angeordnet sein, um in dem Ladungsträgertransferbereich 115 nicht eine Inversionsschicht zu bilden, durch welche Minoritätsladungsträger zwischen dem Driftbereich 120 und einer Lastelektrode fließen, wenn eine positive Spannung an die Steuerelektrode 189 angelegt ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann sich ein Oberseitendielektrikum 188 zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Steuerelektrode 189 derart erstrecken, dass die Steuerelektrode 189 nicht ausreichend mit dem Ladungsträgertransferbereich 115 längs der vertikalen Richtung überlappt, um einen kontinuierlichen Inversionskanal durch den Ladungsträgertransferbereich 115 zu bilden.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Ladungsträgertransferbereich 115 direkt an die Steuerstruktur 180 an der ersten Oberfläche 101 derart angrenzen, dass der Hilfsmesaabschnitt 194 frei von einem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem Ladungsträgertransferbereich 115 wenigstens längs der Steuerstruktur 180 ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine dielektrische Struktur auf der ersten Oberfläche 101 auf beiden Seiten der vertikalen Projektion der Zwischenfläche zwischen dem Ladungsträgertransferbereich 115 und der Steuerstruktur 180 vorgesehen sein.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel unterbinden die fehlende Überlappung zwischen der Steuerelektrode 185 und dem Ladungsträgertransferbereich 115 und das Fehlen eines Bereiches des ersten Leitfähigkeitstyps längs der ersten Oberfläche 101 an dem äußeren Rand der Steuerstruktur 180 beide einen Elektronenpfad durch den Ladungsträgertransferbereich 115.
  • Ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 101 und einem Boden der Steuerstrukturen 180 kann von 1 μm bis 30 μm, beispielsweise von 3 μm bis 7 μm, reichen. Eine laterale Breite der Hilfsmesaabschnitte 194 kann von 0,05 μm bis 10 μm, beispielsweise von 0,15 μm bis 1 μm reichen. Ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem pn-Übergang zwischen dem Barrierebereich 117 und dem Ladungsträgertransferbereich 115 kann von 0,5 μm bis 5 μm, beispielsweise von 1 μm bis 1,5 μm, reichen.
  • Der Barrierebereich 117 kann oder kann nicht einen niedriger dotierten Teil umfassen, der eine Fremdstoffkonzentration der Driftschicht 120 auf der zu dem Ladungsträgertransferbereich 115 ausgerichteten Seite hat.
  • Eine gesamte Fremdstoffmenge (effektive Anodendosis) in dem Ladungsträgertransferbereich 115 ist derart eingestellt, dass sie einen Verarmungsbereich, der sich von dem pn-Übergang zwischen dem Ladungsträgertransferbereich 115 und dem Barrierebereich 117 erstreckt, daran hindert, die erste Oberfläche 101 oder eine Kontaktstruktur, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper erstreckt, bei den Betriebsbedingungen zu erreichen, für die die Halbleitervorrichtung 500 ausgelegt ist. Beispielsweise kann die gesamte Fremdstoffmenge in dem Ladungsträgertransferbereich 115 das Ergebnis einer p-Typ-Implantationsdosis von etwa 5 × 1012 (5E12) cm–2 und eines folgenden Ätzens von Kontaktgräben, das Teile der implantierten Gebiete entfernt, sein.
  • Eine erste Lastelektrode 310, die beispielsweise eine Anodenelektrode einer Halbleiterdiode oder eine Emitterelektrode eines IGBT sein kann, ist elektrisch mit den Ladungsträgertransferbereichen 115 verbunden. Die erste Lastelektrode 310 kann ein erster Lastanschluss L1, beispielsweise der Anodenanschluss einer Halbleiterdiode oder der Emitteranschluss eines IGBT sein oder mit einem solchen elektrisch gekoppelt oder verbunden sein. Die Steuerelektrode 189 kann elektrisch mit einem Steueranschluss CTR verbunden oder gekoppelt sein oder kann elektrisch mit einem Gateanschluss der Halbleitervorrichtung verbunden oder gekoppelt sein.
  • Eine zweite Lastelektrode 320 grenzt direkt an die zweite Oberfläche 102 und die Sockelschicht 130 an. Die zweite Lastelektrode 320 kann ein zweiter Lastanschluss L2, der der Kathodenanschluss einer Halbleiterdiode oder der Kollektoranschluss eines IGBT sein kann, sein oder kann elektrisch mit einem solchen verbunden sein.
  • Jede der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 kann als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer, beispielsweise AlSi, AlCu oder AlSiCu bestehen oder diese Materialien enthalten. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann wenigstens eine Elektrode aus den ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile Nickel (Ni), Titan (Ti), Wolfram (W), Tantal (Ta), Silber (Ag), Gold (Au), Platin (Pt) und/oder Palladium (Pd) enthalten. Beispielsweise kann wenigstens eine Elektrode aus den ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 zwei oder mehr Unterschichten umfassen, wobei jede Unterschicht als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile ein oder mehrere der folgenden Stoffe: Ni, Ti, Ag, Au, Pt, W und Pd, beispielsweise ein Silizid, ein Nitrid und/oder eine Legierung enthält.
  • Eine Hälfte einer Steuerstruktur 180 und eines angrenzenden Hilfsmesaabschnittes 194 einschließlich der Ladungsträgertransfer- und Barrierebereiche 115, 117 bilden eine Hilfszelle AC. Eine Vielzahl von Hilfszellen AC kann längs einer lateralen Richtung angeordnet sein, wobei die Hilfszellen AC die gleiche Orientierung haben. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen sind die Hilfszellen AC in Paaren angeordnet, wobei die Hilfszellen AC von jedem Paar spiegelinvertiert zueinander längs einer vertikalen Achse angeordnet sind, die eine Achse durch die Steuerstruktur 180 oder durch die Hilfsmesaabschnitte 194 sein kann. Der Halbleiterkörper 100 kann oder kann nicht andere Zelltypen, beispielsweise Transistorzellen oder Leer- bzw. Ruhezellen, umfassen.
  • Für Halbleiterdioden und RC-IGBTs sind die Hilfszellen AC gesteuert, um eine Inversionsschicht 184 in den Drift- und Barrierebereichen 120, 117 in einem Inversionszustand und keine Inversionsschicht in den Drift- und Barrierebereichen 120, 117 in einem Nicht-Inversionszustand zu bilden. Die Inversionsschicht 184 erhöht das effektive Anodenemittergebiet und damit die Anodenemitterwirksamkeit in einem vorwärts leitenden Modus einer Halbleiterdiode oder dem rückwärts leitenden Modus (Diodenmodus) eines RC-IGBT einschließlich einer integrierten Freilaufdiode.
  • Durch Ein- und Ausschalten der Inversionsschicht 184 erlaubt es die Steuerstruktur 180 der Halbleitervorrichtung 500 sich in-situ zwischen einem Niederfrequenzmodus mit vergleichsweise niedrigen statischen Verlusten und hohen dynamischen Schaltverlusten und einem Hochfrequenzmodus mit hohen statischen Verlusten und niedrigen dynamischen Schaltverlusten zu verändern.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Nicht-Inversionszustand verwendet werden, um eine Halbleitervorrichtung zu entsättigen, bevor ein vorwärts vorgespannter pn-Übergang einer Halbleiterdiode oder der vorwärts vorgespannte pn-Übergang einer Freilaufdiode eines RC-IGBT rückwärts vorgespannt wird.
  • Die effektive Anodenwirksamkeit in dem Nicht-Inversionszustand ist gegeben durch die effektive Anodendosis in dem Ladungsträgertransferbereich 115. Die effektive Anodenwirksamkeit in dem Inversionszustand ist gegeben durch die Summe der effektiven Anodendosis des Ladungsträgertransferbereiches 115 und der Anodenwirksamkeit der löcheransammelnden p-Typ-Inversionsschicht. Als eine Folge erlaubt eine niedrigere effektive Anodendosis eine weitere Streuung der Anodenemitterwirksamkeit zwischen dem Inversionszustand und dem Nicht-Inversionszustand. Eine weite Streuung oder Differenz zwischen der Anodenemitterwirksamkeit in dem Inversionszustand und der Anodenemitterwirksamkeit in dem Nicht-Inversionszustand erlaubt einen besseren Abgleich zwischen dynamischen und statischen Schaltverlusten und/oder liefert einen mehr wirksamen Entsättigungszyklus.
  • Der Barrierebereich 117 reduziert virtuell die effektive Anodendosis und damit die Anodenemitterwirksamkeit, ohne die aktuelle Fremdstoffdosis in dem Ladungsträgertransferbereich 105 zu reduzieren. Im Gegensatz zu anderen Methoden zum Reduzieren der effektiven Anodendosis, beispielsweise durch Überätzen eines Kontaktloches in den Ladungsträgertransferbereich 115 nach Implantation oder durch eine merklich reduzierte Spitzenfremdstoffkonzentration in dem Ladungsträgertransferbereich 115, die beide schwierig zu steuern sind, ist die Bildung des Barrierebereiches 117 vergleichsweise einfach und weniger delikat. Zusätzlich kann der Barrierebereich 117 die Robustheit gegenüber kritischen Stromfilamentierungsereignissen im Halbleiterkörper 100 erhöhen.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen, die auf Nicht-RC-IGBTs bezogen sind, können die Hilfszellen AC als Entsättigungszellen betrieben werden, die aktiv Ladungsträger von dem Driftbereich 120 durch die ersten Lastelektroden 310 vor einem Abschaltsignal abführen, das an der Gateelektrode eines RB- oder RC-IGBT in einem Vorwärtsbetrieb liegt.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 kann angeordnet sein, nicht um einen Inversionspfad durch den Ladungsträgertransferbereich 115 zu bilden. Beispielsweise ist die Steuerelektrode 180 nicht mit einem Netzwerkknoten verbunden, an welchem ein Signal liegt, das eine Schwellenspannung für eine Bildung einer n-Typ-Inversionsschicht in dem p-Typ-Ladungsträgertransferbereich 115 überschreitet. Alternativ kann das Oberseitendielektrikum 188 mit dem Ladungsträgertransferbereich 115 längs der vertikalen Richtung überlappen, oder der Hilfsmesaabschnitt 194 ist ohne einen Sourcebereich zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem Ladungsträgertransferbereich 115.
  • Die Halbleiterdiode 501 von 2A bezieht sich auf Ausführungsbeispiele mit einer steuerbaren Anodenemitterwirksamkeit. Die Halbleiterdiode 501 beruht auf der Halbleitervorrichtung 500 von 1, wobei die erste Lastelektrode 310 eine Anodenelektrode bildet, die einen Anodenanschluss A darstellt oder elektrisch mit einem solchen verbunden ist.
  • Kontakte 305, die sich durch Öffnungen einer dielektrischen Struktur 302 erstrecken, verbinden elektrisch die erste Lastelektrode 310 mit den Ladungsträgertransferbereichen 115. Die Sockelschicht 130 hat den ersten Leitfähigkeitstyp und bildet einen Homoübergang mit dem Driftbereich 120. Die zweite Lastelektrode 320 bildet einen Kathodenanschluss K oder ist elektrisch mit dem Kathodenanschluss K verbunden. Die Hilfszellen AC können in Paaren angeordnet sein, wobei die zwei Hilfszellen AC von jedem Paar spiegelinvertiert bezüglich einer Mittenachse der Steuerstrukturen 180 angeordnet sind. Die Steuerelektroden 189 sind elektrisch mit einem Steueranschluss CTR oder mit einem Ausgang einer integrierten Steuerschaltung verbunden, die ein Steuersignal UCTR liefert. Für weitere Einzelheiten wird Bezug genommen auf die Beschreibung von 1.
  • Das Steuersignal UCTR, das an den Steuerelektroden 189 liegt, steuert die Anodenemitterwirksamkeit der Hilfszellen AC, die als Injektionszellen im Vorwärtsmodus der Halbleiterdiode 501 wirksam sind. Bei Spannungen an der Steuerelektroden 189 unterhalb einer Schwellenspannung VthAC der Hilfszellen AC werden Inversionsschichten 184 längs der Steuerstrukturen 180 in den Barriere- und Driftbereichen 117, 120 gebildet, wobei die Inversionsschichten 184 das effektive Anodengebiet und die Anodenemitterwirksamkeit erhöhen. Oberhalb der negativen ersten Schwellenspannung VthAC wird keine Inversionsschicht gebildet, und das effektive Anodenemittergebiet und die Anodenemitterwirksamkeit sind niedrig. Wenigstens bis zu einer zweiten Schwellenspannung Vth, bei welcher eine n-Typ-Inversionsschicht in den Ladungsträgertransferbereichen 115 gebildet werden kann, behält die Halbleiterdiode 501 ihre vollen Rückwärtssperrfähigkeiten bei, sodass die Halbleiterdiode 501 direkt von einer Entsättigungsperiode innerhalb des vorwärts leitenden Modus zu einem Rückwärtssperrmodus schalten kann.
  • Der Barrierebereich 117 erhöht die Streuung oder die Differenz zwischen den Anodenemitterwirksamkeiten des Inversionsszustandes und des Nicht-Inversionszustandes in einer gut steuerbaren Weise, sodass die Wirksamkeit der Entsättigungsperiode in einer wohldefinierten Art erhöht werden kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält der Barrierebereich 117 wenigstens einen Tiefpegeldonator oder Tiefdoppeldonator, beispielsweise Schwefel- und/oder Selenatome/ionen. Mit Tiefpegeldonatoren steigt der Dotierungspegel mit anwachsender Temperatur an, wobei ein lokal steigender Dotierungspegel lokal die Anodenemitterwirksamkeit reduziert und somit einer inhomogenen Stromverteilung unter parallelen Hilfszellen entgegenwirkt.
  • 2B zeigt ein Zeitdiagramm eines Steuersignales UCTR, das an den Steuerelektroden 189, beispielsweise über einen Steueranschluss CTR, liegt. In einer Injektionsperiode zwischen t0 und t1 ist das Steuersignal UCTR niedriger als die erste Schwellenspannung VthAC, sodass p-Typ-Inversionsschichten 184 längs der Steuerstrukturen 180 das effektive Anodengebiet vergrößern. Ein Ladungsträgerplasma in dem Driftbereich 120 ist hoch, und der effektive Durchlass- bzw. Vorwärtswiderstand sowie die Schwellenspannung UF sind niedrig. Während einer Entsättigungsperiode zwischen t1 und t2 ist die Spannung des Steuersignales UCTR über der ersten Schwelle VthAC und kann unterhalb der zweiten Schwellenspannung Vth sein. Keine Inversionsschichten werden gebildet, und das effektive Anodenemittergebiet ist klein. Das Ladungsträgerplasma wird abgeschwächt bzw. gedämpft, was in einer gesteigerten Vorwärtsspannung UF resultiert.
  • Wenn die Halbleiterdiode kommutiert und zu dem Rückwärtssperrmodus bei t2 schaltet, ist die Rückwärtserholungsladung niedrig, und Schaltverluste werden reduziert. Bevor die Halbleiterdiode 501 zurück zu dem vorwärts vorgespannten Modus schaltet, kann die Steuerspannung UCTR bis unter die erste Schwellenspannung VthAC bei t3 während des Rückwärtssperrmodus vermindert werden.
  • Verglichen mit Versuchen, die ein Reduzieren der effektiven Anodendosis anstreben, um eine hohe Streuung zwischen den hohen und niedrigen Anodenemitter-Wirksamkeitszuständen vorzusehen, erlaubt der Barrierebereich 117 höhere Anodendosen, die während einer Herstellung einfacher zu steuern sind.
  • Der RC-IGBT 502 in 3A umfasst steuerbare Hilfszellen AC, wie dies anhand der 1 und 2A beschrieben ist, wobei der erste Lastanschluss 310 elektrisch mit einem Emitteranschluss E verbunden ist, der zweite Lastanschluss 320 elektrisch mit einem Kollektoranschluss C verbunden ist und die Sockelschicht 130 erste Zonen 131 des ersten Leitfähigkeitstyps und zweite Zonen 132 des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst, und wobei die ersten und zweiten Zonen 131, 132 jeweils sandwichartig zwischen dem Driftbereich 120 und der zweiten Lastelektrode 320 gelegen sind.
  • Zusätzlich zu den Hilfszellen AC umfasst der RC-IGBT 502 Transistorzellen TC und kann oder kann nicht Leerzellen IC aufweisen. Jeder Transistor TC umfasst einen Transistormesaabschnitt 192 des Halbleiterkörpers 100 sowie eine Gatestruktur 150, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstreckt. Die Gatestruktur 150 umfasst eine leitende Gateelektrode 159 und ein Gatedielektrikum 155, das die Gateelektrode 159 von dem umgebenden Material des Halbleiterkörpers 100 isoliert.
  • Gestalt und Größe bzw. Abmessung der Gatestrukturen 150 können der Gestalt und Abmessung der Steuerstrukturen 180 entsprechen und zu diesen beispielsweise gleich sein. Die Gate- und Steuerdielektrika 155, 185 können die gleiche Dicke haben und können aus dem gleichen Material bzw. den gleichen Materialien vorgesehen sein. Laterale und vertikale Ausdehnungen der Gateelektroden 159 können die gleichen sein wie diejenigen für die Steuerelektroden 189. Gate- und Steuerelektroden 159, 189 können aus dem gleichen Material bzw. den gleichen Materialien vorgesehen sein. Ein Gateoberseitendielektrikum 158 kann die Gateelektrode 159 von der ersten Oberfläche 101 trennen.
  • Der Transistormesaabschnitt 192 umfasst einen p-Typ-Bodybereich 115a, der einen pn-Übergang mit dem Driftbereich 120 bildet, wobei die Bodybereiche 115a angenähert den Ladungsträgertransferbereichen 115a der Hilfszellen AC entsprechen können. Beispielsweise können eine mittlere Fremdstoffkonzentration und eine vertikale Ausdehnung der Bodybereiche 115a der Transistorzellen TC angenähert der mittleren Fremdstoffkonzentration und der vertikalen Ausdehnung der Ladungsträgertransferbereiche 115 entsprechen oder gleich zu diesen sein.
    • a. Jede Transistorzelle TC umfasst einen Sourcebereich 110 in dem Transistormesaabschnitt 192 zwischen der Oberseitenoberfläche des Transistormesaabschnittes 192 und dem Bodybereich 115a wenigstens in einem Teil des Transistormesaabschnittes 192, der direkt an die Gatestruktur 150 der Transistorzelle TC angrenzt. Die Transistorbodybereiche 115a grenzen direkt an den Driftbereich 120 an. Die Transistormesaabschnitte 192 können frei von einer Struktur entsprechend dem Barrierebereich 117 der Hilfszellen AC sein oder können einen entsprechenden Barrierebereich umfassen.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 kann weiterhin Leerzellen IC umfassen, die Leerstrukturen 190 aufweisen, welche den Steuerstrukturen 180 der Hilfszellen AC und/oder den Gatestrukturen 150 der Transistorzellen TC entsprechen können. Leermesaabschnitte 196, die an die Leerstrukturen 190 angrenzen, können von Bereichen entsprechend den Ladungsträgertransfer- und Bodybereichen 115, 115a, den Sourcebereichen 110 und/oder dem Barrierebereich 117 frei sein. Die Leermesaabschnitte 196 können oder können nicht elektrisch mit der ersten Lastelektrode 310 verbunden sein.
  • Die Steuerelektroden 180 der Hilfszellen AC können elektrisch miteinander und mit einem Ausgang einer internen Schaltung oder einem Steueranschluss CTR des RC-IGBT 502 verbunden sein. Die Steuerelektroden 195 der Leerzellen IC können elektrisch mit den Steuerelektroden 180 der Hilfszellen AC, mit den Gateelektroden 150 der Transistorzellen TC, mit der ersten Lastelektrode 310 oder mit irgendeinem anderen internen Netzwerkknoten des RC-IGBT 502 verbunden oder gekoppelt sein.
  • Die Halbleitervorrichtung 502 ist angeordnet, nicht um einen Inversionspfad durch den Ladungsträgertransferbereich 115 zu bilden. Beispielsweise ist die Steuerelektrode 180 nicht mit einem Netzwerkknoten verbunden, an welchem ein Signal liegt, das eine Schwellenspannung für eine Bildung einer n-Typ-Inversionsschicht in einem p-Typ-Ladungsträgertransferbereich 115 überschreitet. Alternativ kann das Oberseitendielektrikum 188 mit dem Ladungsträgertransferbereich 115 längs der vertikalen Richtung überlappen, oder der Hilfsmesaabschnitt 194 ist frei von einem Sourcebereich zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem Ladungsträgertransferbereich 115.
  • Der RC-IGBT 502 ist in dem Vorwärtsmodus, wenn eine positive Kollektor-Emitter-Spannung UCE zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen C, E liegt. Wenn eine an der Gateelektrode 150 liegende Spannung die Schwellenspannung Vth für die Transistorzellen TC überschreitet, wird ein n-Typ-Inversionskanal durch den Bodybereich 115a gebildet, und ein Stromfluss durch die Bodybereiche 115a öffnet den pnp-Bipolarjunctiontransistor, der durch den Bodybereich 115a, den Driftbereich 120 und die zweiten Zonen 132 vom p-Typ in der Sockelschicht 130 im vorwärts leitenden Modus gebildet ist.
  • In dem komplementären vorwärtssperrenden Modus ist die an die Gateelektrode 150 angelegte Spannung unterhalb der Schwellenspannung Vth der Transistorzellen TC, und der rückwärts vorgespannte pn-Übergang zwischen den Body- und Driftbereichen 115a, 120 akkommodiert die Vorwärtssperrspannung.
  • Im rückwärts leitenden oder Diodenmodus spannt eine zwischen den Kollektor- und Emitterelektroden liegende negative Kollektor-Emitter-Spannung UCE die pn-Übergänge zwischen den Body- und Driftbereichen 115a, 120 sowie zwischen den Ladungsträgertransfer- und Driftbereichen 115, 120 vorwärts bzw. in Durchlassrichtung vor. Während einer Injektionsperiode des Diodenmodus induziert eine negative Spannung des Steuersignales UCTR unterhalb der ersten Schwellenspannung VthAC p-Typ-Inversionsschichten 184 in den Barriere- und Driftbereichen 117, 120 längs der Steuerstrukturen 180. Die Inversionsschichten 184 steigern das aktive Anodengebiet und die gesamte Anodenemitterwirksamkeit.
  • In einer folgenden Entsättigungsperiode ist die Spannung des Steuersignales UCTR höher als die erste Schwellenspannung VthAC derart, dass die gesamte effektive Anodenemitterwirksamkeit reduziert ist. Eine Entsättigung wird von einer an den Gateelektroden 159 anliegenden Spannung entkoppelt. Ein Kommutieren von dem rückwärts leitenden Modus zu dem vorwärts sperrenden Modus kann direkt der Entsättigungsperiode ohne jegliche Zeitverzögerung zwischen dem Ende der Entsättigungsperiode und dem Beginn der Kommutation folgen.
  • Dagegen beruhen herkömmliche Versuche auf einer Entsättigungsperiode, die an einer Gateelektrode anliegt, und einem Induzieren von n-Typ-Inversionskanälen durch die Bodybereiche 115a, wobei die n-Typ-Inversionskanäle die p-Typ-Body- und Ladungsträgertransferbereiche 115a, 115 kurzschließen, um drastisch die gesamte Anodenemitterwirksamkeit zu reduzieren. Da der n-Typ-Inversionskanal eine Transistorzelle TC von einem Akkommodieren einer hohen Sperrspannung in Anwendungen wie beispielsweise von Halbbrückenschaltungen hindert, muss eine ausreichende Zeitverzögerung zwischen dem Ende der Entsättigungsperiode und dem Beginn der Kommutation vorgesehen werden. Da das Ladungsträgerplasma wenigstens teilweise während der Zeitverzögerung wieder hergestellt ist, verschlechtert die Zeitverzögerung das gesamte Entsättigungsverhalten.
  • Weiterhin müssen in herkömmlichen RC-IGBTs einige Bereiche aktiv als injizierende Ladungsträgertransferbereiche während einer Entsättigungsperiode verbleiben, um eine minimale Rückwärtsleitfähigkeit beizubehalten, selbst wenn die kurz geschlossenen Bodybereiche 115a nicht irgendwelche Ladungen injizieren. Daher muss in herkömmlichen Gestaltungen die Anodenwirksamkeit von zusätzlichen injizierenden Bereichen sorgfältig derart abgestimmt werden, dass die Anzahl der in den Driftbereich 120 injizierten Löcher ausreichend hoch während der Entsättigungsperiode verbleibt und die Entsättigungswirksamkeit genügend hoch bleibt.
  • Gegenwärtige Methoden zum Reduzieren der Anodenwirksamkeit in Injektionsbereichen streben ein Reduzieren der effektiven Anodendosis in den Ladungsträgertransferbereichen 115 an, in dem beispielsweise die Implantationsdosis reduziert wird und/oder Teile der Ladungsträgertransferbereiche 115 nach der Implantation entfernt werden. Jedoch hat sich ein Steuern einer kleinen Anodendosis als ein delikater Prozess mit geringer Ausbeute erwiesen. Stattdessen reduzieren die Barrierebereiche 117 die Anodenemitterwirksamkeit der Hilfszellen AC, ohne die effektive Anodendosis in den Ladungsträgertransferbereichen 115 zu reduzieren, um dadurch kritische Prozesse mit niedriger Ausbeute zu vermeiden.
  • Zusätzlich sehen die Barrierebereiche 117 eine Potentialbarriere für die Löcher in dem Ladungsträgerplasma vor und reduzieren merklich den negativen Einfluss der Hilfszellen AC auf die Vorrichtungsperformance bzw. das Vorrichtungsverhalten in dem IGBT-Modus.
  • Die Transistorzellen TC können mit oder ohne den Barrierebereich 117 oder irgendeinem anderen Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps entsprechend dem Barrierebereich 117 in den Hilfszellen AC vorgesehen sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Transistorzellen TC frei von dem Barrierebereich 117 oder irgendeinem ähnlichen Bereich der Art sein, dass die Transistorzellen TC durch das Design bzw. die Gestaltung der Hilfszellen AC unbeeinflusst verbleiben.
  • 3B zeigt schematisch den Übergang von der Injektions- zu der Entsättigungsperiode bei t1 sowie den Beginn der Kommutation der integrierten Freilaufdiode mit der Änderung der negativen Kollektor-Emitter-Spannung UCE zu einer positiven Spannung UCE bei t2. Ein Öffnen der n-Typ-Kanäle in den Transistorzellen TC durch Anlegen eines Gatesignales UG mit einer Spannung höher als die Schwellenspannung Vth der Transistorzellen TC ist entkoppelt von der Entsättigungsperiode. Bei dem Beginn der Kommutation existiert kein einen Ladungsträgerpfad vorsehender n-Typ-Inversionskanal, selbst wenn die Kommutation die Entsättigungsperiode überlappt.
  • Der RC-IGBT 503 von 4A unterscheidet sich von dem RC-IGBT 502 von 3A dadurch, dass die Gate- und Steuerelektroden 150, 180 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Gate- und Steuerelektroden 150, 180 können elektrisch mit einem Gateanschluss G oder mit einem internen Netzwerkknoten des RC-IGBT 503 verbunden sein, beispielsweise mit einem Ausgang einer Treiber- oder Verzögerungsschaltung. Die Hilfszellen AC sind angeordnet, nicht um einen Inversionsstrompfad durch den Ladungsträgertransferbereich 115 zu bilden, wenn eine Spannung des an den Gate- und Steuerelektroden 150, 180 liegendes Gatesignal UG die Schwellenspannung Vth der Transistorzellen TC überschreitet. Beispielsweise kann ein Oberseitendielektrikum zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Steuerelektrode 180 mit dem Ladungsträgertransferbereich 115 längs der vertikalen Richtung überlappen, oder der Hilfsmesaabschnitt 194 ist frei von einem Sourcebereich zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem Ladungsträgertransferbereich 115.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält der Barrierebereich 117 wenigstens einen Tiefpegeldonator oder Tiefdoppeldonator, beispielsweise Schwefel-(S-) und/oder Selen-(Se-)Atome/Ionen. Mit Tiefpegeldonatoren steigt der Dotierungspegel mit zunehmender Temperatur an, wobei der ansteigende Dotierungspegel eine Anodenemitterwirksamkeit reduziert und somit einer inhomogenen Stromverteilung unter parallelen Hilfszellen AC entgegenwirkt.
  • 4B zeigt ein Zeitdiagramm, das einen Modus eines Betriebs des RC-IGBT 503 von 4A veranschaulicht. Bei einer Spannung des Gatesignales UG unterhalb der ersten Schwellenspannung der Hilfszellen VthAC, beispielsweise bei UG = –15 V ist das effektive Anodengebiet des RC-IGBT 503 im rückwärts leitenden Modus merklich vergrößert, und der RC-IGBT 503 ist in einem Injektionsmodus.
  • Bei t1 ist die Spannung des Gatesignales UG bis über die Schwellenspannung VthAC der Hilfszellen AC und unter die Schwellenspannung Vth der Transistorzellen TC erhöht, um eine Entsättigungsperiode zu beginnen. Ein Steuern der Anodenwirksamkeit der Hilfszellen AC bei der Entsättigungsspannung kann einen merklichen Einfluss für einen weiten Bereich eines Verhältnisses der Hilfszellen AC zu den Transistorzellen TC, beispielsweise in einem Bereich von 1:10 bis 10:1, erzielen. Die Vorrichtung behält ihre volle Rückwärtssperrfähigkeit während der Entsättigung. Eine Zeitverzögerung zwischen dem Ende der Entsättigungsperiode und dem Beginn der Kommutation des RC-IGBT 503 kann vollständig ohne die Gefahr des Hervorrufens von einer Kurzschlussbedingung ausgelassen werden. Das Auslassen der Zeitverzögerung resultiert in einer hoch wirksamen Entsättigung.
  • 4C zeigt einen RC-IGBT 504 mit vier Hilfszellen AC und zehn Leerzellen IC für je zwei Transistorzellen TC. Die Hilfs- und Transistorzellen AC, TC sind durch das gleiche Gatesignal UG gesteuert. Leerelektroden der Leersteuerzellen IC können mit dem Potential der Emitterelektrode, repräsentiert durch die erste Lastelektrode 310, verbunden sein. Die Transistormesaabschnitte 192 der Transistorzellen TC umfassen Sourcebereiche 110. Zwischen den Drift- und Bodybereichen 120, 115a sind die Transistorzellen TC von Barrierebereichen oder anderen Bereichen des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere Fremdstoffkonzentration als der Driftbereich 120 haben, frei. Die Hilfszellen AC sind frei von Sourcebereichen oder anderen Bereichen des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten Oberfläche 101 und den Ladungsträgertransferbereichen 115. Die Leerzellen IC können frei von irgendeinem Bereich der Bereiche der Hilfs- und Transistorzellen AC, TC sein und/oder sind nicht mit der ersten Lastelektrode 310 verbunden, sodass sie weder wirksam als Hilfszellen AC noch als Transistorzellen TC sind.
  • Hilfsmesaabschnitte 194, die an Steuerstrukturen 180 angrenzen, umfassen vergrabene Barrierebereiche 117, die sich über die gesamten lateralen Querschnittsgebiete der Hilfsmesaabschnitte 194 erstrecken. Wenigstens derartige Leersteuerstrukturen 190, die an die Transistorzellen TC angrenzen, können elektrisch mit dem Emitterpotential verbunden sein, um Rückkopplungseffekte eines hohen Stromes auf das Gatepotential während eines IGBT-Schaltens zu reduzieren.
  • 4D bezieht sich auf einen weiteren RC-IGBT 505 mit einer Transistorzelle TC, Leerzellen IC und Hilfszellen AC. Um eine sehr große Lochinjektion in die der Transistorzelle TC benachbarte Mesa bei 0 V zu vermeiden, kann ein halber Barrierebereich 117 in der betreffenden Mesa ausgeführt sein, was in einem Transistormesaabschnitt 192, der zu der Gatestruktur 150 ausgerichtet ist, und einem Leermesaabschnitt 196 längs der Leerstruktur 190 resultiert. In IGBTs, die abgeschattete Bereiche in einer lateralen Richtung senkrecht zu der Querschnittsebene verwenden, um den Kurzschlussstrom zu begrenzen, kann ein voller vergrabener Bereich 170 in den abgeschatteten Gebieten ausgeführt werden. Die Tabelle gibt die Spitzenfremdstoffkonzentrationen in dem Bodybereich 150a, Abschnitten des Barrierebereiches 117 und dem Driftbereich 120 an.
  • 4E zeigt schematisch die Diodenkennlinie 402 der rückwärts leitenden Diode des RC-IGBT 505 von 4D bei UG = –15 V und die Diodenkennlinie 404 in dem Entsättigungsmodus bei einer Gatespannung UG = 0 V bei einer Fremdstoffdosis in dem n-Typ-Barrierebereich 117 von 3 × 1012 (3E12) cm–2. Die signifikante Zunahme der Vorwärts- bzw. Durchlassspannung UF der Rückwärtsdiode bei einer Zunahme der Gatespannung UG von –15 V auf 0 V zeigt eine signifikante Reduktion des Ladungsträgerplasmas in dem Driftbereich 120 und als Folge eine sehr große Reduktion der Rückwärtserholungsladung an.
  • 4F zeigt die Diodenkennlinien 411 bis 414 der rückwärts leitenden Diode in dem RC-IGBT 505 von 4D bei einer Fremdstoffdosis für die Barriereschicht 170 von 1 × 1013 (1E13) cm–2, 2 × 1013 (2E13) cm–2, 3 × 1013 (3E13) cm–2 und 4 × 1013 (4E13) cm–2 bei UG = 0 V. Die Diodenkennlinie 410 ist diejenige eines Bezugsbeispiels ohne irgendeinen Barrierebereich 170. Für einen gegebenen Laststrom nimmt die Kollektor-Emitter-Spannung UCE mit zunehmender Fremdstoffdosis in dem Barrierebereich 170 zu. Eine Implantationsdosis des Barrierebereiches 170 stellt die Vorwärtsspannung UF und damit die Rückwärtserholungsladung ein.
  • 5A bezieht sich auf einen nicht-rückwärtsleitenden IGBT 506, das heißt auf einen IGBT ohne integrierte rückwärtsleitende oder Freilaufdiode, abweichend von dem RC-IGBT 502 der 3A und 3B dadurch, dass die Sockelschicht 130 eine angrenzende bzw. zusammenhängende Kollektorschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps bildet. Der IGBT 506 umfasst Transistorzellen TC und Hilfszellen AC und kann Leerzellen IC, wie oben beschrieben, aufweisen. Ein Gatesignal UG steuert die Transistorzellen TC, und ein Steuersignal UCTR steuert die Hilfszellen AC. Das Emitterpotential oder irgendein anderes internes Potential, das nicht der Gatespannung UG unterworfen ist, und die Steuerspannung UCTR können die Leerzellen IC steuern.
  • 5B veranschaulicht ein Verfahren zum Betreiben des IGBT 506 von 5A bei reduzierten Schaltverlusten.
  • Während eines Einschaltzustandes des IGBT 506 ist das Gatepotential UG über der Schwellenspannung Vth der Transistorzellen TC, und eine n-Typ-Inversionsschicht durch die Bodybereiche 115a injiziert Elektronen in den Driftbereich 120 in einer Akkumulationsperiode. Die p-Typ-Sockelschicht 130 injiziert Löcher in den Driftbereich 120, und ein sich ergebendes dichtes Ladungsträgerplasma gewährleistet eine niedrige Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung VCEsat.
  • Bei t1 ist die Spannung des Steuersignales UCTR unter die erste Schwellenspannung VthAC der Hilfszellen AC vermindert, um eine Entsättigungsperiode zu beginnen. P-Typ-Inversionsschichten 184 längs der Steuerstruktur 180 extrahieren Löcher von dem Driftbereich 120 durch die Ladungsträgertransferbereiche 115 der Hilfszellen AC zu der ersten Lastelektrode 310.
  • Bei t2 kann die Spannung des Gatesignales UG unter die Schwellenspannung Vth der Transistorzellen TC fallen, und der IGBT ändert sich von dem vorwärtsleitenden Zustand oder Ein-Zustand zu dem vorwärtssperrenden Zustand oder Aus-Zustand. Während einer Vorwärtsleitung wird der IGBT 506 von einem Zustand mit hoher Ladungsträgerbeschränkung mit niedrigem VCEsat und hohem Eoff zu einem Zustand mit niedriger Ladungsträgerbeschränkung mit hohem VCEsat und niedrigem Eoff kurz vor einem Ausschalten geschaltet.
  • Typischerweise wird die effektive Kanalbreite eines IGBT gering gehalten, um die Kurzschlussrobustheit so zu erhöhen, dass aktive Transistorzellen TC lediglich in einem Teil eines aktiven Gebietes des IGBT 506 gebildet werden. Die Hilfszellen AC machen Gebrauch von einem Chipgebiet, das sonst ungenutzt wäre, und erfordern kein zusätzliches Chipgebiet.
  • In den IGBTs 507 bis 510 der 6A, 6C, 6D und 6E steuert das gleiche Gatesignal die Hilfszellen AC und die Transistorzellen TC, also beide Zellen AC und TC.
  • Der Nicht-RC-IGBT 507 von 6A unterscheidet sich von dem Nicht-RC-IGBT 506 der 5A und 5B dadurch, dass eine konstante Spannungsversetzung zwischen den Steuerelektroden 159 der Transistorzellen TC und den Steuerelektroden 189 der Hilfszellen AC liegt. Beispielsweise kann ein Spannungsschieber VS zwischen dem Gateanschluss G und einer die Steuerelektroden 189 verbindenden Verdrahtungsleitung liegen. Der RC-IGBT 506 kann einen ersten Halbleiterchip bzw. -die, wobei der Halbleiterkörper 100 die Transistor- und Hilfszellen TC, AC umfasst, und einen zweiten Halbleiterchip bzw. -die, der den Spannungsschieber VS umfasst, aufweisen. Die Halbleiterdies können in einer Chip-Auf-Chip-Technologie verbunden sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist der RC-IGBT 506 ein Modul einschließlich einer gedruckten Schaltungsplatte oder ein Träger, auf welchem zwei oder mehr Halbleiterdies montiert, beispielsweise gelötet, sind.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst der IGBT 507 einen Gateanschluss G, der elektrisch mit den Gateelektroden 150 verbunden ist, und einem Steueranschluss, der elektrisch mit den Steuerelektroden 189 verbunden ist, wobei eine externe Schaltung eine spannungsverschobene Version eines an den Gateanschluss G gelegten Signales an den Steueranschluss legt.
  • Die versetzte Spannung verschiebt virtuell die Schwellenspannungen der Hilfszellen AC hinsichtlich eines an den Gateelektroden liegenden Gatepotentials. Die virtuell oder tatsächlich verschobenen Schwellenspannungen der Hilfszellen AC erlauben, dass die Entsättigung durch eine Dreipegel-Gatetreiberschaltung gesteuert ist, die auf dem gleichen Halbleiterdie wie der IGBT integriert oder als getrennte Vorrichtung vorgesehen ist, deren Ausgang elektrisch mit dem Gateanschluss G der IGBTs 507 bis 509 in den 6A, 6C, 6D verbunden ist.
  • Die verschobenen Schwellenspannungen der Hilfszellen AC und der Transistorzellen TC sind derart gewählt, dass während eines Ein-Zustandes der Transistorzellen TC die Hilfszellen AC sich von einem Nicht-Inversionszustand ohne p-Typ-Inversionsschichten in den Barriere- und Driftbereichen 117, 120 in einen Inversionszustand mit p-Typ-Inversionsschichten in den Barriere- und Driftbereichen 117, 120 verändern können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das sich auf n-Kanal-IGBTs bezieht, ist die Schwellenspannung VthAC der Hilfszellen AC über die Schwellenspannung Vth der Transistorzellen TC eingestellt.
  • Das Zeitdiagramm von 6B zeigt einen hohen Plasmadichtezustand oder Akkumulationszustand zwischen t0 und t1, wenn die Spannung des Gatesignales UG über der Schwellenspannung Vth der Transistorzellen TC und der Schwellenspannung VthAC der Hilfszellen AC, also beiden Zellen, ist. In einer Entsättigungsperiode zwischen t1 und t2 ist die Spannung des Gatesignales UG unterhalb der Schwellenspannung VthAC der Hilfszellen, jedoch über der Schwellenspannung Vth. Die Transistorzellen TC verbleiben in dem Ein-Zustand, während p-Typ-Inversionsschichten um die Steuerstrukturen 180 der Hilfszellen AC den Driftbereich 120 entsättigen. Bei t2 kann die Spannung des Gatesignales UG direkt von der Spannung zwischen den zwei Schwellenspannungen Vth, VthAC bis unter die Schwellenspannung Vth übergehen, um dadurch die Transistorzellen TC auszuschalten. Die Entsättigungsperiode reduziert die Ladung in der Driftzone 120 gerade bevor der Nicht-RC-IGBT 507 von 6A ausgeschaltet wird. Die Entsättigung reduziert merklich Schaltverluste.
  • In den IGBTs 508, 509 der 6C, 6D können die Steuerdielektrika 185 der Hilfszellen AC und/oder die Gatedielektrika 155 der Transistorzellen TC feste und stabile Ladungen enthalten, die beispielsweise aus einer Röntgenbestrahlung, Elektronen-Bombardierung oder einer Implantation hoher Dosis bei niedriger Energie, indem beispielsweise PLAD (Plasmadotieren, Plasmaeintauch-Ionenimplantation) verwendet wird, resultieren. Eine Bestrahlung und eine Ionenbombardierung erzeugen tiefe und stabile Ladungsträger-Fangstellen in dem Material des betreffenden dielektrischen Materials. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können Aluminiumatome implantiert oder durch ALD (atomare Schichtabscheidung) aufgetragen bzw. abgeschieden werden. Eine Anordnungs- bzw. Arraykonzentration der Aluminiumatome/ionen kann wenigstens 5E11 cm–2, beispielsweise wenigstens 1E12 cm–2 betragen oder kann in dem Bereich nahe zu 5E12 cm–2 als Beispiel sein. Alternativ oder zusätzlich können die Steuer- und Gateelektroden 189, 159 verschiedene Materialien mit verschiedenen Austrittsarbeiten hinsichtlich des n-Typ-Halbleitermaterials umfassen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthalten die Steuerdielektrika 185 merklich mehr feste und stabile negative Ladungen als die Gatedielektrika 155, oder die Gatedielektrika 155 enthalten merklich mehr feste und stabile positive Ladungen als die Steuerdielektrika 185. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Gebietskonzentration an festen und stabilen negativen Ladungen in den Steuerdielektrika 185 größer als 5E11 cm–2, beispielsweise 1E12 cm–2 oder in dem Bereich von 5E12 cm–2.
  • Zusätzlich oder alternativ beruhen die Gateelektroden 159 auf stark dotiertem polykristallinem Silizium, und/oder die Steuerelektroden 189 beruhen auf einem Metall enthaltenden Material, dessen Austrittsarbeit in einer beträchtlichen Bandbiegung in dem Halbleiterkörper 100 resultiert, sodass die tatsächliche Schwellenspannung VthAC der Hilfszellen AC auf einen Wert zwischen der Schwellenspannung Vth der Transistorzellen TC, der etwa +5 V betragen kann, und der maximalen Spannung, die an der Gateleitung verfügbar ist, welche +15 V sein kann, eingestellt werden kann. In typischen Anwendungen kann die Schwellenspannung VthAC auf +12 V eingestellt werden. Ein hochleitender Ein-Zustand oder eine Akkumulationsperiode bei UG = +15 V kann von einer Entsättigungsperiode von beispielsweise 3 μs bei UG = 10 V vor einem Ausschalten bei UG = 0 V oder niedriger, beispielsweise UG = –15 V, gefolgt werden.
  • Der IGBT 508 von 6C umfasst Paare von Hilfszellen AC, Paare von Leerzellen IC und Paare von Transistorzellen TC, die in dieser Reihenfolge längs wenigstens einer lateralen Richtung angeordnet sind. Die Zellen von jedem Zellpaar sind spiegelinvertiert zueinander bezüglich einer vertikalen Achse durch die jeweilige Steuer- oder Gatestruktur 150, 180, 190 angeordnet. Die Steuerdielektrika 189 enthalten stationäre negative Ladungen 187.
  • Der IGBT 509 von 6D umfasst Paare von Hilfszellen AC und Paare von Transistorzellen TC, die in dieser Reihenfolge längs wenigstens einer lateralen Richtung angeordnet sind. Die Zellen von jedem Zellpaar sind spiegelinvertiert zueinander bezüglich einer vertikalen Achse durch den jeweiligen Hilfsoder Transistormesaabschnitt 192, 194. Die Steuerdieletrika 185 enthalten feste stationäre Ladungen.
  • Das Ausführungsbeispiel von 6E bezieht sich auf eine interne Steuerung der Entsättigungsperiode. Beispielsweise können die Gateelektroden 159 der Transistorzellen TC elektrisch mit einer Gateverdrahtungsleitung oder einem Knoten 152 verbunden sein, und die Steuerelektroden 189 der Hilfszellen AC können elektrisch mit einer Steuerverdrahtungsleitung oder einem Knoten 182 verbunden sein. Die Steuerverdrahtungsleitung 182 kann direkt mit dem Gateanschluss G verbunden sein. Eine Tiefpassschaltung zwischen dem Gateanschluss G und der Gateverdrahtungsleitung 152 kann das an den Gateelektroden 159 liegende Signal bezüglich des an den Steuerelektroden 189 liegenden Signals verzögern. Die durch die Tiefpassschaltung definierte Verzögerung definiert die Länge der Entsättiungsperiode t2 – t1 von 6B. Die Tiefpassschaltung kann aus einem Reihenwiderstand R zwischen der Gateverdrahtungsleitung 152 und dem Gateanschluss G bestehen oder einen solchen umfassen.
  • Die Halbleiterdiode 511 von 7 unterscheidet sich von der Halbleiterdiode 501 von 2A dadurch, dass die Steuerelektroden 189 elektrisch mit einem festen Potential, beispielsweise mit der ersten Lastelektrode 310 verbunden sind. Die Barrierebereiche 117 erlauben es, die effektive Anodendotierung zu erhöhen, ohne das Ladungsträgerplasma in dem Halbleiterkörper während einer normalen Durchlass- bzw. Vorwärtsleitung zu steigern. Die Steuerstrukturen 180 können das elektrische Feld in den Mesateilen in einer geeigneten Weise formen.
  • In 8 umfasst ein nicht-entsättigbarer Nicht-RC-IGBT 512 Leerhilfszellen AC, deren Steuerelektroden 195 elektrisch mit einem festen Potential, beispielsweise mit der ersten Lastelektrode 310, verbunden sind. In dem Fall einer ausreichend hohen Fremdstoffkonzentration in den Barrierebereichen 117 sind die Leerhilfszellen AC inaktiv in dem IGBT-Modus. Andererseits verbinden mehr Kontaktstrukturen 305 direkt die erste Lastelektrode 310 mit dem Halbleiterkörper 100 derart, dass eine thermische Kopplung zwischen dem Halbleiterkörper 100 und der ersten Lastelektrode 310 merklich vergrößert ist bezüglich herkömmlichen Vorrichtungen, die typischerweise nicht irgendwelche Kontaktstrukturen zu den Halbleiterbereichen der Leerzellen vorsehen. Das thermische Verhalten des nichtsättigbaren Nicht-RC-IGBT 512 kann besser auf seine elektrische Performance bzw. sein elektrisches Verhalten eingestellt werden.
  • Die 9A bis 9D beziehen sich auf die Anordnung von Hilfszellen in Halbleiterdioden, wie dies oben beispielsweise anhand der 2A und der 7 erläutert wurde.
  • 9A zeigt kompakte Steuerstrukturen 180 der Hilfszellen AC, wobei beide laterale Abmessungen merklich kleiner sind als die entsprechenden lateralen Abmessungen eines aktiven Gebietes 610 eines Halbleiterkörpers 100 der Halbleitervorrichtung 500. Der Halbleiterkörper 100 umfasst ein aktives Gebiet 610 und ein Randgebiet 690 zwischen dem aktiven Gebiet 610 und einer äußeren Oberfläche 103 des Halbeleiterkörpers 100. Das Randgebiet 690, das eine Abschlussstruktur umfassen kann und das frei von jeglichem Ladungsträgertransferbereich ist, umgibt das aktive Gebiet 610, das die Ladungsträgertransferbereiche umfasst. Die kompakten Steuerstrukturen 180 können in regelmäßig beabstandeten Zeilen und Spalten angeordnet sein, die längs der Ränder oder längs der Diagonalen des rechteckförmigen Halbleiterkörpers 100 ausgerichtet sind.
  • Eine Populationsdichte der Steuerstrukturen 180 kann homogen über das gesamte aktive Gebiet 610 sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Populationsdichte in einem zentralen Teil des aktiven Gebietes 610 spärlicher und in einem äußeren Teil des aktiven Gebietes 610, angrenzend an das Randgebiet 690, dichter sein, um Ladungsträger, die in das Randgebiet 690 geflutet sind, zu extrahieren. Alternativ oder zusätzlich zu einer lateralen Variation der Steuerstruktur-Populationsdichte kann die Fremdstoffdosis der Barrierebereiche längs einer oder zwei lateralen Achsen verändert werden. Beispielsweise kann die Fremdstoffdosis von Barrierebereichen in dem äußeren Teil höher sein als in einem zentralen Teil, um die Kommutationsrobustheit zu verbessern. Alternativ oder zusätzlich kann das aktive Gebiet 610 Hilfszellen ohne Barrierebereiche umfassen, wobei ein Verhältnis von Hilfszellen mit Barrierebereich zu Hilfszellen ohne Barrierebereich mit abnehmendem Abstand zu dem Randgebiet 690 zunimmt.
  • 9B zeigt streifenförmige Steuerstrukturen 180 der streifenförmigen Hilfszellen, die unter einem regelmäßigen MitteZu-Mitte-Abstand (Teilung) angeordnet und längs einem der äußeren Ränder des Halbleiterkörpers 100 ausgerichtet sind.
  • 9C zeigt eine gitterförmige Zellsteuerstruktur 180 einer gitterförmigen Hilfszelle mit einer Vielzahl von Unterteilen des Ladungsträgertransferbereiches 115, der in den Maschen gebildet ist. Die Größe der Maschen kann homogen über dem gesamten aktiven Gebiet 610 sein oder kann mit abnehmendem Abstand zu dem Randgebiet 690 abnehmen.
  • In 9D sind kompakte Steuerstrukturen 180 der Hilfszellen AC unter einer niedrigeren Populationsdichte in einem zentralen Teil des aktiven Gebietes 610 und unter einer höheren Populationsdichte in einem äußeren Teil des aktiven Gebietes 610, ausgerichtet zu dem Randgebiet 690, angeordnet.
  • Die 10A bis 10D beziehen sich auf Anordnung von Transistorzellen und Hilfszellen für IGBTs einschließlich RC-IGBTs.
  • 10A bezieht sich auf eine Anordnung von Gatestrukturen 150 von Transistorzellen und Steuerstrukturen 180 von Hilfszellen in einem regelmäßigen, matrixähnlichen Muster in gleich beabstandeten Zeilen und Spalten. Längs jeder Zeile und längs jeder Spalte können die Steuerstrukturen 180 und die Gatestrukturen 150 abwechselnd angeordnet sein. Abgesehen von den äußersten Hilfs- und Transistorzellen kann jede Gatestruktur 150 an vier Steuerstrukturen 180 angrenzen und umgekehrt. Die Anordnung kann ähnlich zu einem Schachbrettmuster sein, wobei die Gatestrukturen 150 den weißen Feldern und die Steuerstrukturen 180 den schwarzen Feldern zugewiesen sind. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die äußersten Zeilen und Spalten, die an das Randgebiet 690 angrenzen, mehr Hilfszellen als Transistorzellen umfassen, um die Entsättigung des Randgebietes 690 zu unterstützen. Alternativ oder zusätzlich zu einer lateralen Variation der Steuerstruktur-Populationsdichte kann die Fremdstoffdosis der Barrierebereiche in den Hilfszellen längs einer oder zwei lateralen Achsen verändert werden, wie dies anhand von 9A beschrieben ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Populationsdichte der Transistorzellen TC längs des Randgebietes 690 niedriger sein als in einem zentralen Teil des aktiven Gebietes 610.
  • 10B bezieht sich auf streifenförmige Gate- und Steuerstrukturen 150, 180, die sich parallel zu einem der Ränder des Halbleiterkörpers 100 erstrecken können und die unter regelmäßigen Teilungen angeordnet sein können.
  • 10C zeigt eine Steuerstruktur 180, die ein Gitter bildet, wobei die Transistorzellen und die Gatestrukturen 150 in den Maschen angeordnet sind. Ein anderes Ausführungsbeispiel kann das invertierte Muster vorsehen, wobei eine Transistorzelle das Gitter bildet und die Hilfszellen in den Maschen des Gitters vorgesehen sind.
  • 10D zeigt regelmäßig angeordnete Gatestrukturen 150 von kompakten Transistorzellen in einem zentralen Teil des aktiven Gebietes 610 und eine rahmenförmige Steuerstruktur 180 einer Hilfszelle, die in einem äußeren Teil 619 des aktiven Gebietes 610, ausgerichtet zu dem Randgebiet 690, angeordnet ist.
  • Unter Berücksichtigung des obigen Bereiches von Veränderungen und Anwendungen sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Beschreibung begrenzt noch durch die begleitenden Zeichnungen beschränkt ist. Vielmehr ist die vorliegende Erfindung lediglich durch die folgenden Patentansprüche und deren gesetzlichen Äquivalente begrenzt.

Claims (20)

  1. Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Barrierebereich (117), der sandwichartig zwischen einem Driftbereich (120) und einem Ladungsträgertransferbereich (115) vorgesehen ist, wobei die Barriere- und Ladungsrägertransferbereiche (117, 115) einen pn-Übergang und die Barriere- und Driftbereiche (117, 120) einen Homoübergang bilden, und wobei eine Fremdstoffkonzentration in dem Barrierebereich (117) wenigstens zehnmal so hoch wie eine Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich (120) ist, und eine Steuerstruktur (180), die gestaltet ist, um eine Inversionsschicht (184) in den Drift- und Barrierebereichen (120, 117) in einem Inversionszustand und keine Inversionsschicht in den Drift- und Barrierebereichen (120, 117) in einem Nicht-Inversionszustand zu bilden.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Halbleitervorrichtung (500) gestaltet ist, um durch den Ladungsträgertransferbereich (115) nicht einen Pfad für Minoritätsladungsträger in einer Inversionsschicht (184) längs der Steuerstruktur (180) zwischen dem Driftbereich (120) und einer Lastelektrode (310, 320) zu bilden.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steuerstruktur (180) sich von einer ersten Oberfläche (101) eines Halbleiterkörpers (100), der den Ladungsträgertransferbereich (115) umfasst, in den Halbleiterkörper (100) herab zu wenigstens dem Driftbereich (120) erstreckt, und der Ladungsträgertransferbereich (115) direkt an die erste Oberfläche (101) bei der Steuerstruktur (180) angrenzt.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Steuerstruktur (180) sich von einer ersten Oberfläche (101) eines Halbleiterkörpers (100), der den Ladungsträgertransferbereich (115) aufweist, in den Halbleiterkörper (100) herab bis zu wenigstens dem Driftbereich (120) erstreckt, und die Steuerstruktur (180) eine Steuerelektrode (189) aufweist, wobei ein Steuerdielektrikum (185) sandwichartig zwischen den Barriere- und Driftbereichen (117, 120) auf einer ersten Seite und der Steuerelektrode auf einer zweiten Seite entgegengesetzt zu der ersten Seite vorgesehen sind, und ein Oberseiten-Dielektrikum (188) zwischen der ersten Oberfläche (101) und der Steuerelektrode (189) den Ladungsträgertransferbereich (115) in einer vertikalen Richtung senkrecht zu der ersten Oberfläche (101) überlappt.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Halbleitervorrichtung (500) eine Halbleiterdiode ist, die eine Kathodenschicht eines Leitfähigkeitstyps der Drift- und Barrierebereiche (120, 117) zwischen dem Driftbereich (120) und einer zweiten Oberfläche (102) des Halbleiterkörpers (100) entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche (101) umfasst.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Halbleitervorrichtung (500) ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist, der eine Feldeffekttransistorzelle aufweist.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Halbleitervorrichtung ein rückwärts leitender Bipolartransistor (502) mit isoliertem Gate ist, der eine Kollektorschicht (130) aufweist, die erste Zonen (131) eines ersten Leitfähigkeitstyps und zweite Zonen (132) eines zweiten Leitfähigkeitstyps komplementär zu dem ersten Leitfähigkeitstyp zwischen dem Driftbereich (120) und einer zweiten Oberfläche (102) des Halbleiterkörpers (100) entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche (101) aufweist.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Halbleitervorrichtung ein nicht-rückwärtsleitender Bipolartransistor (506) mit isoliertem Gate ist, der eine Kollektorschicht (130) zwischen dem Driftbereich (120) und einer zweiten Oberfläche (102) des Halbleiterkörpers (100) entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche (101) aufweist, wobei die Kollektorschicht (130) einen zweiten Leitfähigkeitstyp komplementär zu einem ersten Leitfähigkeitstyp des Driftbereiches (120) hat.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Transistorzelle (TC) einen pn-Übergänge mit einem Sourcebereich (110) und dem Driftbereich (120) bildenden Bodybereich (115a) und eine Gatestruktur (150) aufweist, die gestaltet ist, um eine Inversionsschicht in dem Bodybereich (115a) während eines Ein-Zustandes zu bilden und um keine Inversionsschicht in dem Bodybereich außerhalb des Ein-Zustandes der Transistorzelle (TC) zu bilden.
  10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Steuerstruktur (180) eine Steuerelektrode (189) und ein Steuerdielektrikum (185) zwischen den Barriere- und Driftbereichen (117, 120) auf einer ersten Seite und der Steuerelektrode (189) auf einer zweiten Seite entgegengesetzt zu der ersten Seite aufweist, die Gatestruktur (150) eine Gateelektrode (159) und ein Gatedielektrikum (155) zwischen dem Bodybereich (115a) auf einer ersten Seite und der Gateelektrode (159) auf einer zweiten Seite entgegengesetzt zu der ersten Seite aufweist, und die Gate- und Steuerstrukturen (150, 180) elektrisch miteinander verbunden sind.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der eine Spannung höher als eine erste Schwellenspannung an den Gate- und Steuerstrukturen (150, 180) den Ein-Zustand induziert, eine Spannung niedriger als eine zweite Schwellenspannung, die niedriger als die erste Schwellenspannung ist, den Inversionszustand induziert, und eine Spannung zwischen den ersten und zweiten Schwellen weder den Ein-Zustand noch den Inversionszustand induziert.
  12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der eine Spannung höher als eine erste Schwellenspannung an den Gate- und Steuerstrukturen (150, 180) den Ein-Zustand induziert, eine Spannung niedriger als eine zweite Schwellenspannung, die höher als die erste Schwellenspannung ist, den Inversionszustand induziert, und eine Spannung höher als die zweite Schwellenspannung den Nicht-Inversionszustand induziert.
  13. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Gate- und Steuerdielektrika (155, 185) aus verschiedenen Materialien vorgesehen sind und/oder die Gate- und Steuerelektroden (159, 189) aus verschiedenen Materialien gebildet sind, sodass eine erste Schwellenspannung der Transistorzelle (TC) gleich wie oder kleiner als einen zweite Schwellenspannung der Hilfszelle (AC) ist.
  14. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der das Steuerdielektrikum (185) feste negative Ladungen enthält und/oder eine Austrittsarbeit eines Materials der Steuerelektrode (189) bezüglich des Halbleiterkörpers (100) höher ist als eine Austrittsarbeit eines Materials der Gateelektrode (159).
  15. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, weiterhin umfassend: einen Spannungsschieber, der gestaltet ist, um eine Spannung an die Steuerelektroden (189) anzulegen, die von einer an die Gateelektroden (159) angelegten Spannung um eine vorbestimmte Spannungsversetzung abweicht, wobei die Spannungsversetzung größer ist als eine Differenz zwischen den ersten und zweiten Schwellenspannungen.
  16. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, weiterhin umfassend: eine Vielzahl von Hilfszellen (AC), deren jede eine der Steuerstrukturen (180) umfasst, wobei eine Populationsdichte der Hilfszellen (AC) in einem zentralen Bereich eines aktiven Gebietes höher ist als in einem äußeren Bereich des aktiven Gebietes, ausgerichtet zu einem Randgebiet, das frei von Hilfszellen (AC) ist.
  17. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der der Barrierebereich (117) Fremdstoffe eines Tiefpegeldonators oder eines Tiefdoppeldonators enthält.
  18. Bipolartransistor mit isoliertem Gate, umfassend: eine Transistorzelle (TC) und eine Hilfszelle (AC), die einen sandwichartig zwischen einem Driftbereich (120) und einem Ladungsträgertransferbereich (115) vorgesehenen Barrierebereich (117) umfasst, wobei die Barriere- und Ladungsträgertransferbereiche (117, 115) einen pn-Übergang und die Barriere- und Driftbereiche (117, 120) einen Homoübergang bilden, und wobei eine Fremdstoffkonzentration in dem Barrierebereich (117) wenigstens zehnfach so hoch wie eine Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich (120) ist.
  19. Bipolartransistor mit isoliertem Gate nach Anspruch 18, bei dem eine Steuerstruktur (180) einer Hilfszelle (AC) eine Steuerelektrode (189) und ein Steuerdielektrikum (185) zwischen den Barriere- und Driftbereichen (117, 120) auf einer ersten Seite und der Steuerelektrode (189) auf einer zweiten Seite entgegengesetzt zu der ersten Seite umfasst, und die Steuerelektrode (189) elektrisch mit einem festen Potential bezüglich einer Lastelektrode verbunden ist.
  20. Halbleiterdiode, umfassend: eine Steuerstruktur (180), die sich von einer ersten Oberfläche (101) in einen Halbleiterkörper (100) erstreckt, wobei die Steuerstruktur (180) eine Steuerelektrode (189) und ein Steuerdielektrikum (185) zwischen dem Halbleiterkörper (100) auf einer ersten Seite und der Steuerelektrode (189) auf einer zweiten Seite entgegengesetzt zu der ersten Seite aufweist, und einen Barrierebereich (117) sandwichartig zwischen einem Driftbereich (120) und einem Ladungsträgertransferbereich (115) in dem Halbleiterkörper (100), wobei die Barriere- und Ladungsträgertransferbereiche (117, 115) einen pn-Übergang und die Barriere- und Driftbereiche (117, 120) einen Homoübergang bilden, und wobei eine Fremdstoffkonzentration in dem Barrierebereich (117) wenigstens zehnmal so hoch eine Fremdstoffkonzentration in dem Driftbereich (120) ist.
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