DE102018113506B4 - Volumentleitfähiges Leistungshalbleiterbauelement mit Homogenisierungsstruktur - Google Patents

Volumentleitfähiges Leistungshalbleiterbauelement mit Homogenisierungsstruktur Download PDF

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Abstract

Volumenleitfähiges Leistungshalbleiterbauelement (1) mit einer ersten (10) und einer zweiten Hauptseite (12) und mit einem Halbleiterkörper (2), der eine erste Halbleiterkörperhauptseite (20) aufweist, wobei die erste Hauptseite (10) eine erste Metallisierungsschicht (40) und die zweite Hauptseite (12) eine zweite Metallisierungsschicht (50) aufweisen, wobei die erste Hauptseite (10) einen von ihrer Mitte radial nach außen verlaufenden Zentralbereich (100) aufweist, wobei der Halbleiterkörper (2) oder die erste Metallisierungsschicht (40) entweder derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs (100) von der Mitte ausgehend mindestens drei lokale Maxima (110) und mindestens zwei lokale Minima (120) aufweist oder derart, dass im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs (100) homogen ist, wobei der Halbleiterkörper im Zentralbereich (100) bei Stromfluss von der ersten zur zweiten Metallisierungsschicht (40, 50) benachbart zur ersten Halbleiterkörperhauptseite (20) eine periodische Modulation des elektrischen Widerstands (R) aufweist und hierbei entwederdiese Modulation mittels konzentrischer Anordnung von isolierenden großflächigen fresnelartigen Volumenbereichen (50, 52, 54, 56) an der ersten Halbleiterkörperhauptseite (20) ausgebildet ist oder alternativ diese Modulation mittels konzentrischer Anordnung von isolierenden großflächigen Volumenbereichen (50, 52, 54, 56), ausgebildet aus Halbleiteroxid, an der ersten Halbleiterkörperhauptseite (20) ausgebildet ist oder alternativdiese Modulation mittels Dichtevariation von kleinflächigen Volumenelemente (58) an der ersten Halbleiterkörperhauptseite (20) ausgebildet ist oder alternativ diese Modulation mittels Variation einer ersten Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers (2) oder mittels Variation einer zweiten Dotierungskonzentration eines Teils (3) des Halbleiterkörpers (2) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein volumenleitfähiges Leistungshalbleiterbauelement mit einer ersten und einer zweiten Hauptseite und mit einem Halbleiterkörper. Weiterhin beschrieben wird ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung mit einem derartigen Leistungshalbleiterbauelement.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2017 103 111 A1 , ist eine Halbleiterdiode bekannt, ausgebildet mit einem Halbleiterkörper, mit einer ersten Hauptfläche gebildet aus einer Innenfläche auf der eine erste Kontaktschicht angeordnete ist und aus einer Randfläche, und mit einem Strompfad von der ersten Kontaktschicht zu einer zweiten Kontaktschicht angeordnet auf einer der ersten Hauptfläche gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche, wobei die Halbleiterdiode durch die Ausgestaltung der ersten Kontaktschicht oder des Halbleiterkörpers derart ausgebildet ist, dass bei Stromfluss durch den Strompfad ein Teilstrompfad, derjenige mit der größten Erwärmung pro Volumeneinheit, und der von einer weiteren Teilfläche der Innenfläche ausgeht, ausgebildet wird, wobei die weitere Teilfläche jenseits einer Grenze einer inneren, vorzugsweise zentral, also um eine Mittelachse, angeordnete, Teilfläche der Innenfläche zu einer an diese innere Teilfläche angrenzenden äußeren Teilfläche und als Teil dieser angeordnet ist.
  • Die US 2008 / 0 290 466 A1 offenbart ein Halbleiterelement, das eine Halbleiterschicht mit einer ersten Dotierungsdichte, einer Metallisierung und einem Kontaktbereich zwischen der Halbleiterschicht und der Metallisierung aufweist, wobei der Kontaktbereich zumindest einen ersten Halbleiterbereich aufweist, wobei der erste Halbleiterbereich eine zweite Dotierungsdichte aufweist, die höher als die erste Dotierungsdichte ist und zumindest einen zweiten Halbleiterbereich in der Halbleiterschicht in Kontakt mit der Metallisierung aufweist, der einen geringeren ohmschen Widerstand zu der Metallisierung liefert als ein direkter Kontakt zwischen der Halbleiterschicht und der Metallisierung liefert oder liefern würde und der eine geringere Injektionsneigung aufweist als der erste Halbleiterbereich.
  • Die DE 10 2004 004 862 A1 offenbart eine integrierte Halbleiterdiodenanordnung, bei welcher ein Anodenbereich und ein Kathodenbereich in einem Halbleitermaterialbereich ausgebildet sind. Der Anodenbereich weist eine Anordnung alternierend auftretender und direkt benachbarter erster und zweiter Anodengebiete auf, die sich in ihrem Leitfähigkeitstyp abwechseln. Der Anodenbereich weist ferner ein erstes besonderes Anodengebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf, welches in seiner lateralen Ausdehnung vergleichsweise größer als die weiteren Anodengebiete desselben Leitfähigkeitstyps und ist so ausgebildet, dass es bei einem Betriebsmodus mit ESD-Belastung als Emitterbereich eines parasitär ausgebildeten Bipolartransistors dient.
  • Die DE 11 2012 006 039 T5 offenbart ein Halbleiterbauteil das eine aktive Zone aufweist, die in einem oberen Schichtabschnitt einer Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, und mehrere elektrische Feldrelaxationsschichten aufweist, die ausgehend von einem Rand der aktiven Zone zur Außenseite derart angeordnet sind, dass sie die aktive Zone umgeben. Die mehreren elektrischen Feldrelaxationsschichten umfassen mehrere erste elektrische Feldrelaxationsschichten und mehrere zweite elektrische Feldrelaxationsschichten, die abwechselnd angrenzend aneinander angeordnet sind, wobei die erste elektrische Feldrelaxationsschicht und die zweite elektrische Feldrelaxationsschicht, die aneinander angrenzen, eine Gruppe bilden. Fremdstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps sind in die ersten elektrischen Feldrelaxationsschichten mit einer ersten Oberflächendichte implantiert, wobei Breiten von diesen mit größer werdendem Abstand von der aktiven Zone kleiner werden. Fremdstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps sind in die zweiten elektrischen Feldrelaxationsschichten mit einer zweiten Oberflächendichte implantiert, die geringer ist als die erste Oberflächendichte, wobei Breiten von diesen mit größer werdendem Abstand von der aktiven Zone größer werden.
  • Die in der DE 10 2015 122 804 A1 offenbarte Halbleitervorrichtung enthält eine in einem Halbleiterkörper ausgebildete Driftstruktur. Die Driftstruktur bildet einen ersten pn-Übergang mit einer Bodyzone einer Transistorzelle. Von einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers aus erstreckt sich eine Gatestruktur in die Driftstruktur. Von der ersten Oberfläche aus erstreckt sich eine Wärmesenkenstruktur in die Driftstruktur. Eine thermische Leitfähigkeit der Wärmesenkenstruktur ist höher als eine thermische Leitfähigkeit der Gatestruktur und/oder eine Wärmekapazität der Wärmesenkenstruktur ist höher als eine Wärmekapazität der Gatestruktur.
  • In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein volumenleitfähiges Leistungshalbleiterbauelement vorzustellen, wobei die Stromverteilung im Betrieb in einem großen mittleren Bereich homogen ausgebildet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleiterbauelement mit den folgenden Merkmalen.
  • Das erfindungsgemäße volumenleitfähiges Leistungshalbleiterbauelement ist ausgebildet mit einer ersten und einer zweiten Hauptseite und mit einem Halbleiterkörper, der ein erste Halbleiterkörperhauptseite aufweist, wobei die erste Hauptseite eine erste Metallisierungsschicht und die zweite Hauptseite eine zweite Metallisierungsschicht aufweisen, wobei die erste Hauptseite einen von ihrer Mitte radial nach außen verlaufenden Zentralbereich 100 aufweist, wobei der Halbleiterkörper 2 oder, die erste Metallisierungsschicht 40 oder sogar beide entweder derart ausgebildet ist bzw. sind, dass im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs 100 von der Mitte ausgehend mindestens drei lokale Maxima 110 und mindestens zwei lokale Minima 120 aufweist oder derart, dass im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs 100 homogen ist, wobei der Halbleiterkörper im Zentralbereich bei Stromfluss von der ersten zur zweiten Metallisierungsschicht benachbart zur ersten Halbleiterkörperhauptseite eine periodische Modulation des elektrischen Widerstands aufweist und hierbei entweder diese Modulation mittels konzentrischer Anordnung von isolierenden großflächigen fresnelartigen Volumenbereichen an der ersten Halbleiterkörperhauptseite ausgebildet ist oder alternativ diese Modulation mittels konzentrischer Anordnung von isolierenden großflächigen Volumenbereichen, ausgebildet aus Halbleiteroxid, an der ersten Halbleiterkörperhauptseite ausgebildet ist oder alternativ diese Modulation mittels Dichtevariation von kleinflächigen Volumenelemente an der ersten Halbleiterkörperhauptseite ausgebildet ist oder alternativ diese Modulation mittels Variation einer ersten Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers oder mittels Variation einer zweiten Dotierungskonzentration eines Teils des Halbleiterkörpers ausgebildet ist.
  • Der Begriff „Zentralbereich“ beschreibt einen Bereich des Leistungshalbleiterbauelements das sich vom Zentrum radial nach außen ausdehnt, ohne dass hierdurch die geometrische Form oder die Gestalt des Randbereichs bereits definiert ist. Grundsätzlich vorteilhaft sind Ausgestaltungen der geometrischen Form dieses Zentralbereichs, die sich an der Form des Leistungshalbleiterbauelements selbst orientieren, also bei runden Leistungshalbleiterbauelementen ein runder oder annährend runder Zentralbereich, bei rechteckförmigen Leistungshalbleiterbauelementen dann im Grund ein rechteckförmiger Zentralbereich, wobei hierbei die Ecken dieses Zentralbereichs vorteilhaft zusätzlich abgerundet sind.
  • Vorzugsweise weist der Zentralbereich einen Flächeninhalt auf, der mindestens 25%, bevorzugt mindestens 30% und insbesondere bevorzugt mindestens 40% des Flächeninhalts der ersten Hauptseite beträgt.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs von der Mitte ausgehend mindestens drei lokale Maxima und mindestens zwei lokale Minima aufweist und ein erster Temperaturunterschied der Oberflächentemperatur des Zentralbereichs von einem lokalen Maximum zu einem benachbarten lokalen Minimum 120 einen Wert von maximal 2K, insbesondere maximal 1K, beträgt.
  • Alternativ hierzu ist es vorteilhaft, wenn im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs homogen ist und ein zweiter Temperaturunterschied der Oberflächentemperatur des Zentralbereichs zwischen einem absoluten Maximum und einem absoluten Minimum einen Wert von weniger als 2K, insbesondere von weniger als 1K, aufweist.
  • Unter dem Begriff „großflächig“ soll hier ein Flächeninhalt verstanden werden, der in der Größenordnung von einem Prozent oder mehr des Flächeninhalts der ersten Hauptseite liegt. Demgegenüber soll unter dem Begriff „kleinflächig“ im Folgenden ein Flächeninhalt verstanden werden, der in der Größenordnung von einem Promille oder weniger des Flächeninhalts der ersten Hauptseite liegt. Unter dem Begriff „fresnelartig“ soll eine Analogie zu einer Fresnellinse, insbesondere auch zu einer binären Fresnellinse, auch als binäre Fresnel-Zonenplatte bekannt, verstanden werden.
  • Auch kann es grundsätzlich vorteilhaft sein, wenn die erste Metallisierungsschicht im Zentralbereich eine periodische, insbesondere fresnelartige, Modulation aufweist.
  • Das Leistungshalbleiterbauelement ist vorzugsweise ausgebildet als ein Leistungshalbleiterwiderstand, als eine Leistungshalbleiterdiode, als ein Leistungshalbleiterthyristor oder als ein Leistungshalbleitertransistor.
  • Die Lösung der o.g. Aufgabe gestattet ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung mit einem oben beschriebenen Leistungshalbleiterbauelement.
  • Dieses Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung mit einem Leistungshalbleiterbauelement, mit einem ersten elektrischen Anschluss der ersten Metallisierungsschicht, mit einem zweiten elektrischen Anschluss der zweiten Metallisierungsschicht und wobei ein erster Strom von der ersten zur zweiten Metallisierungsschicht fließt, ist charakterisiert dadurch, dass entweder die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs von der Mitte ausgehend mindestens drei lokale Maxima und mindestens zwei lokale Minima aufweist oder die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs homogen ist.
  • Hierbei kann der erste Strom ein Dauerstrom mit einer Stromstärke von 80% des Nennstroms des Leistungshalbleiterbauelements sein. Vorzugsweise ist der Dauerstrom ein Strom in Durchlassrichtung des Leistungshalbleiterbauelements.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 9 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
    • 1 und 2 zeigen eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements in Schnittansicht sowie in Draufsicht.
    • 3 bis 6 zeigen Diagramme des elektrischen Widerstands benachbart zur ersten Halbleiterkörperhauptseite von verschiedenen Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Leistungshalbleiterbauelemente.
    • 7 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement.
    • 8 und 9 zeigen Diagramme der Oberflächentemperatur von Leistungshalbleiterbauelement gemäß der Erfindung und in 8 zusätzlich gemäß dem Stand der Technik.
  • 1 und 2 zeigen eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements 1 in Schnittansicht - 1 - sowie in Draufsicht - 2. Die Schnittansicht basiert auf einem Schnitt entlang der Linie A-A. Dargestellt ist ein Leistungshalbleiterbauelement 1, hier eine Leistungsdiode, mit einem Halbleiterkörper 2 mit einer ersten, hier einer n-, Dotierung. Im Halbleiterkörper 2 ist symmetrisch um seine Mitte, genauer um seine Mittelachse, eine Wanne 3 mit einer zweiten, hier einer p-, Dotierung ausgebildet. Zwischen der ersten und zweiten Dotierung wird somit ein pn-Übergang ausgebildet. Der Halbleiterkörper 2 weist weiterhin ein erste und eine dieser gegenüber liegend angeordnete zweite Halbleiterkörperhauptseite 20, 22 auf. Auf einem Abschnitt der ersten Halbleiterkörperhauptseite 20 im Bereich der Wanne 3 ist eine erste Metallisierungsschicht 40 angeordnet. Auf einem Abschnitt der zweiten Halbleiterkörperhauptseite 22 ist eine zweite Metallisierungsschicht 50 angeordnet. 2 zeigt eine Draufsicht auf die erste Halbleiterkörperhautseite 20 ohne erste Metallisierungsschicht.
  • Die jeweilige erste und zweite Hauptseite 10, 12 der Leistungsdiode 1 ist definiert als die, konturierte, zugängliche Oberfläche also mit der jeweiligen Metallisierungsschicht 40, 50 auf der zugehörigen Halbleiterkörperhauptseite 20, 22.
  • Erfindungsgemäß weitergebildet ist die Halbleiterdiode 1, hier eine Siliziumhalbleiterdiode, durch im Bereich der Wanne 3 angeordnete großflächige, elektrisch isolierende Volumenbereiche 5. Diese sind ausgebildet indem Oberflächenbereiche der ersten Halbleiterkörperhauptseite 20, 22 einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt wurden und somit das p-dotierte Silizium ausgehend von diesen Oberflächenbereichen in ein Siliziumoxid umgewandelt wurden, das sich von der ersten Halbleiterkörperhauptseite 20 in den Halbleiterkörper 2, genauer die Wanne 3, hinein erstreckt und dort die Volumenbereiche 5ausbildet. Hierbei erstrecken sich die Volumenbereiche 5 aus Siliziumoxid allerdings nicht bis an den pn-Übergang heran oder gar darüber hinaus.
  • Die dargestellte Leistungsdiode 1 weist in Draufsicht eine quadratische Grundform auf. Die elektrisch isolierenden Siliziumoxid-Volumenbereiche 50, 52, 54, 56 weisen eine hieran angepasste Struktur auf, die in Draufsicht fresnelartig ausgebildet ist. Diese Struktur weist hier einen zentralen ersten Siliziumoxid-Volumenbereich 50 mit quadratischer radialer Ausdehnung und abgerundeten Eckbereichen auf. An den ersten Siliziumoxid-Volumenbereich schließt sich in radialer Richtung ein erster „quadratischer“ Ring mit abgerundeten Ecken an, der keinen Siliziumoxid-Volumenbereich aufweist.
  • An diesen ersten quadratischen Ring mit abgerundeten Ecken ohne Siliziumoxid-Volumenbereich schließt sich in radialer Richtung ein erster quadratischer Ring mit einem Siliziumoxid-Volumenbereich 52 an.
  • Hierauf folgen abwechselnd ein zweiter quadratischer Ring ohne Siliziumoxid-Volumenbereich, ein zweiter quadratischer Ring mit Siliziumoxid-Volumenbereich 54, ein dritter quadratischer Ring ohne Siliziumoxid-Volumenbereich und ein dritter quadratischer Ring mit Siliziumoxid-Volumenbereich 56.
  • Aufgrund dieser Struktur und bei Strombeaufschlagung in Durchlassrichtung des pn-Übergangs, wobei die Strombeaufschlagung selbstverständlich mittels der ersten und zweiten Metallisierungsschicht 40, 50 erfolgt, ergibt sich, dass die Oberflächentemperatur eines Zentralbereichs 100, der geringfügig radial beabstandet an den dritten Ring mit Silizium-Volumenbereich 56 anschließt, von der Mitte ausgehend vier lokale Maxima 110 und vier lokale Minima 120, vgl. auch 8, aufweist. Der Zentralbereich 100 reicht somit geringfügig über die genannte Struktur hinaus.
  • 3 bis 6 zeigen Diagramme der periodischen Modulation des elektrischen Widerstands R benachbart zur ersten Halbleiterkörperhauptseite 20 von verschiedenen Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Leistungshalbleiterbauelemente. Dieser benachbarte Bereich kann, insbesondere im Bereich des pn-Übergangs einer Leistungsdiode, wie sie grundsätzlich in 1 dargestellt ist, liegen oder zwischen dem Siliziumoxid-Volumenbereich und dem pn-Übergang.
  • 3 zeigt links die Werte des elektrischen Widerstands R in dem oben beschriebenen Bereich quasi am Ende der Eindringtiefe der Silizium-Volumenbereiche und rechts in Draufsicht die zugehörige Struktur der Siliziumoxid-Volumenbereiche jeweils einer Leistungsdiode gemäß 1 und 2.
  • Der schematisierte Verlauf des elektrischen Widerstands R ist nur näherungsweise dargestellt und entspricht letztendlich der Struktur der Siliziumoxid-Volumenbereiche 50, 52, 54, 56. Dargestellt ist der Verlauf des elektrischen Widerstands R eines quadratischen Leistungshalbleiterbauelements beginnend mit der Mitte und reichend bis zum Rand ro des Leistungshalbleiterbauelements, ebenfalls analog zu Richtung A-A gemäß 2. Ein derartiger Verlauf des elektrischen Widerstands R wird durch eine Struktur des Siliziumoxid-Volumenbereichs 50, 52, 54, 56 erreicht wie sie sowohl in den 1 und 2 wie auch rechts in der 3 dargestellt ist. Diese Darstellung rechts zeigt nur einen Ausschnitt dieser großflächigen, fresnelartigen Struktur ebenfalls beginnend in der Mitte und reichend bis zum Rand ro des Leistungshalbleiterbauelements.
  • 4 zeigt links die Werte des elektrischen Widerstands R in dem oben beschriebenen Bereich in der Nähe des pn-Übergangs geringfügig beabstandet vom Ende der Eindringtiefe kleinflächiger Siliziumoxid-Volumenelemente und rechts die zugehörige Struktur derartiger kleinflächiger Siliziumoxid-Volumenelemente 58 jeweils einer Leistungsdiode in Draufsicht, wobei rechts analog zu 3 nur ein Ausschnitt der Oberfläche dargestellt ist.
  • Die grobe Struktur derjenigen Bereiche, die eine erfindungsgemäße Wirkung entfalten, folgt hier einer fresnelartigen Ausgestaltung, allerdings weisen die einzelnen „Ringe“ hier keine großflächigen Siliziumoxid-Volumenbereiche auf, vielmehr sind die einzelnen Ringe aus kleinflächigen Siliziumoxid-Volumenelementen 58 ausgebildet. Diese kleinflächigen Siliziumoxid-Volumenelemente 58 sind in ihrer Oberflächenausdehnung unterschiedlich groß und hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit rund ausgebildet. Im Grunde handelt es sich hier um eine Dichtevariation dieser kleinflächigen Siliziumoxid-Volumenelemente 58, die in ihrem Zusammenwirken eine großflächige Auswirkung erzielen. Vorzugsweise weise alle kleinflächigen Siliziumoxid-Volumenelemente 58 die gleiche Eindringtiefe auf und wirken zusammen zur Ausbildung des Verlaufs des elektrischen Widerstands R wie links dargestellt.
  • 5 zeigt die Werte des elektrischen Widerstands R in dem oben beschriebenen Bereich quasi am Ende der Eindringtiefe großflächiger Silizium-Volumenbereiche, im Wesentlichen analog zu 3. Allerdings beginnt die fresnelartig Struktur mit einem zentralen Bereich in dem kein Silizium-Volumenbereich angeordnet ist, sondern der erste Silizium-Volumenbereich als Ring um diesen mittleren Bereich angeordnet ist. Eine derartige Struktur ist insbesondere, allerdings ohne Beschränkung der Allgemeinheit, vorteilhaft für Leistungsthyristoren mit zentralem Gate.
  • 6 zeigt die Werte des elektrischen Widerstands R
    in dem oben beschriebenen Bereich in der Nähe des pn-Übergangs geringfügig beabstandet vom Ende der Eindringtiefe kleinflächiger Siliziumoxid-Volumenelemente, grundsätzlich analog zu denjenigen gemäß 4 eines Leistungsthyristors. Hier ist ebenfalls ein mittlerer Bereich, derjenige des Gates des Leistungsthyristors, frei von Siliziumoxid-Volumenelementen.
  • 7 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement, hier einer Halbleiterdiode 1, mit einem Substrat 6 und mit einer Verbindungseinrichtung 7. Das Substrat 6 weist eine isolierende Schicht 60 oder alternativ einen Isolierstoffkörper jeweils mit hierauf angeordneten Leiterbahnen 62 auf. Es handelt sich hierbei um ein fachübliches Substrat, beispielhaft ein sog. DCB- (direct copper bonding) Substrat, wie es beispielhaft für Leistungshalbleitermodule üblich ist, das auch auf der zweiten Seite der isolierenden Schicht eine metallische Schicht 64 aufweist. Die zweite Kontaktschicht 50 der Halbleiterdiode 1 ist fachüblich kraft- oder stoffschlüssig, beispielhaft mittels einer Lötverbindung, mit einer Leiterbahn 62 elektrisch leitend verbunden. Die erste Kontaktschicht 40 der Halbleiterdiode 1 ist mittels einer Verbindungseinrichtung 7 elektrisch leitend mit einer weiteren Leiterbahn 62 der Schaltungsanordnung, genauer des Substrats 60 verbunden ist. Diese Verbindungseinrichtung 7 ist ebenfalls fachüblich ausgebildet, hier als Metallbügel, kann aber auch also elektrisch leitende Folie oder als Drahtbondverbindung ausgebildet sein.
  • 8 und 9 zeigen Diagramme der Oberflächentemperatur von Leistungshalbleiterbauelement gemäß der Erfindung und in 8 zusätzlich gemäß dem Stand der Technik.
  • 8 zeigt Temperaturprofile verschiedener Leistungshalbleiterdioden vom jeweiligen Zentrum zum Rand der jeweiligen Halbleiterdiode bei ihrer Anwendung in einer Schaltungsanordnung und mit einem Dauerstrom, in Durchlassrichtung, mit einer Stromstärke von 80% des Nennstroms. Kurve A zeigt hier das Temperaturprofil einer Halbleiterdiode gemäß dem lange bekannten Stand der Technik. Eine derartige Leistungshalbleiterdiode erwärmt sich in ihre Mitte am stärksten, weil aus diesem Bereich die Wärmeabfuhr an ein Substrat oder einen Kühlkörper am wenigsten effizient ist. Es ergibt sich hier eine Maximaltemperatur von über 173°C, und somit der Bereich der größten Erwärmung pro Volumeneinheit, in der Mitte der Leistungshalbleiterdiode. Die Temperatur sinkt stetig in radialer Richtung zum Rand ro.
  • Bei einer Ausgestaltung, gemäß Kurve B, einer Leistungshalbleiterdiode gemäß dem in der DE 10 2017 103 111 A1 beschriebenen Stand der Technik verschiebt sich der Bereich mit der im Betrieb höchsten Temperatur in Richtung des Randes der Halbleiterdiode.
  • Kurve C zeigt einen Temperaturverlauf einer Leistungshalbleiterdiode gemäß den 1 bis 3. Dieser Temperaturverlauf weist ausgehend von der Mitte vier lokale Maxima 110 und vier lokale Minima 120, wobei ein erster Temperaturunterschied 130 dieser Oberflächentemperatur des Zentralbereichs 100 von einem lokalen Maximum 110 zu einem benachbarten lokalen Minimum 120 einen Wert von maximal 2K, insbesondere maximal 1K, beträgt. Der Zentralbereich weist hier, ausgehend von einer Leistungshalbleiterdiode mit quadratischer Form, einen Anteil von ca. 30% des Flächeninhalts der erste Halbleiterkörperhauptseite auf.
  • 9 zeigt für eine Leistungshalbleiterdiode, gemäß 4, das Temperaturprofile vom Zentrum zum Rand bei ihrer Anwendung in einer Schaltungsanordnung und mit einem Dauerstrom, in Durchlassrichtung, mit einer Stromstärke von 80% des Nennstroms. Dieser Temperaturverlauf die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs 100 ist homogen und weist somit einen zweiten Temperaturunterschied 132 der Oberflächentemperatur des Zentralbereichs 100 zwischen einem absoluten Maximum 112 und einem absoluten Minimum 122 einen Wert von weniger als 2K, insbesondere von weniger als 1K, auf. Der Zentralbereich weist hier wiederum, ausgehend von einer Leistungshalbleiterdiode mit quadratischer Form, einen Anteil von ca. 30% des Flächeninhalts der erste Halbleiterkörperhauptseite auf.

Claims (7)

  1. Volumenleitfähiges Leistungshalbleiterbauelement (1) mit einer ersten (10) und einer zweiten Hauptseite (12) und mit einem Halbleiterkörper (2), der eine erste Halbleiterkörperhauptseite (20) aufweist, wobei die erste Hauptseite (10) eine erste Metallisierungsschicht (40) und die zweite Hauptseite (12) eine zweite Metallisierungsschicht (50) aufweisen, wobei die erste Hauptseite (10) einen von ihrer Mitte radial nach außen verlaufenden Zentralbereich (100) aufweist, wobei der Halbleiterkörper (2) oder die erste Metallisierungsschicht (40) entweder derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs (100) von der Mitte ausgehend mindestens drei lokale Maxima (110) und mindestens zwei lokale Minima (120) aufweist oder derart, dass im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs (100) homogen ist, wobei der Halbleiterkörper im Zentralbereich (100) bei Stromfluss von der ersten zur zweiten Metallisierungsschicht (40, 50) benachbart zur ersten Halbleiterkörperhauptseite (20) eine periodische Modulation des elektrischen Widerstands (R) aufweist und hierbei entweder diese Modulation mittels konzentrischer Anordnung von isolierenden großflächigen fresnelartigen Volumenbereichen (50, 52, 54, 56) an der ersten Halbleiterkörperhauptseite (20) ausgebildet ist oder alternativ diese Modulation mittels konzentrischer Anordnung von isolierenden großflächigen Volumenbereichen (50, 52, 54, 56), ausgebildet aus Halbleiteroxid, an der ersten Halbleiterkörperhauptseite (20) ausgebildet ist oder alternativ diese Modulation mittels Dichtevariation von kleinflächigen Volumenelemente (58) an der ersten Halbleiterkörperhauptseite (20) ausgebildet ist oder alternativ diese Modulation mittels Variation einer ersten Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers (2) oder mittels Variation einer zweiten Dotierungskonzentration eines Teils (3) des Halbleiterkörpers (2) ausgebildet ist.
  2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der Zentralbereich (100) einen Flächeninhalt aufweist, der mindestens 25%, bevorzugt mindestens 30% und insbesondere bevorzugt mindestens 40% des Flächeninhalts der ersten Hauptseite beträgt.
  3. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs (100) von der Mitte ausgehend mindestens drei lokale Maxima (110) und mindestens zwei lokale Minima (120) aufweist und ein erster Temperaturunterschied (130) der Oberflächentemperatur des Zentralbereichs (100) von einem lokalen Maximum (110) zu einem benachbarten lokalen Minimum (120) einen Wert von maximal 2 K, insbesondere von maximal 1 K, beträgt.
  4. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei im Betrieb die Oberflächentemperatur des Zentralbereichs (100) homogen ist und ein zweiter Temperaturunterschied (132) der Oberflächentemperatur des Zentralbereichs (100) zwischen einem absoluten Maximum (112) und einem absoluten Minimum (122) einen Wert von weniger als 2 K, insbesondere von weniger als 1 K, aufweist.
  5. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kleinflächigen Volumenelemente (58) als Halbleiteroxid ausgebildet ist.
  6. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Metallisierungsschicht im Zentralbereich eine periodische, insbesondere fresnelartige, Modulation aufweist.
  7. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiterbauelement ausgebildet ist als ein Leistungshalbleiterwiderstand, als eine Leistungshalbleiterdiode, als ein Leistungshalbleiterthyristor oder als ein Leistungshalbleitertransistor.
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