DE10334797B3 - Halbleiterbauelement mit einer einen p- oder n-Kanal Transistor aufweisenden Feldstoppschicht - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einer einen p- oder n-Kanal Transistor aufweisenden Feldstoppschicht Download PDF

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Abstract

Ein Halbleiterbauelement mit einer Feldstoppschicht (4) zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleiterbauelement ausbildbaren Raumladungszone zeichnet sich dadurch aus, dass in der Feldstoppschicht (4) und/oder in unmittelbarer Umgebung der Feldstoppschicht (4) wenigstens ein Teil eines p- bzw. n-Kanal-Transistors (18) vorgesehen ist, der bei Vorliegen einer bestimmten an dem Halbleiterbauelement anliegenden Spannung bzw. bei Vorliegen einer bestimmten an der Feldstoppschicht (4) anliegenden Feldstärke einen p-/n-Kanal (15, 16) induziert/durchlässig schaltet, so dass ein Strom über den p-/n-Kanal (15, 16) durch die Feldstoppschicht (4) hindurchfließen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das eine Feldstoppschicht zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleiterbauelement ausbildbaren Raumladungszone enthält.
  • Halbleiterbauelemente mit Feldstoppschicht sind bekannt und werden auf vielfältige Art und Weise eingesetzt. Eine detaillierte Beschreibung der technischen Grundlagen von Halbleiterbauelementen mit Feldstoppschicht findet sich beispielsweise in der Patentschrift US 5,668,385 A [1]. Hier soll im Folgenden nur eine kurze Zusammenfassung der Funktionsweise derartiger Bauteile gegeben werden.
  • Feldstoppschichten werden beispielsweise in Halbleiterbauelementen eingesetzt, die in einer vertikalen pnp-Struktur mit einem an der Vorderseite befindlichen sperrenden pn-Übergang im n-Gebiet eine so geringe Dotierung aufweisen, dass sich das elektrische Feld beziehungsweise die Raumladungszone im Sperrfall bis zu einem rückseitigen p-Gebiet ausdehnen würde. Ein derartiges "Durchgreifen" des elektrischen Feldes bzw. der Raumladungszone wird als "Punch-Through" bezeichnet und bewirkt, dass eine Durchbruchsspannung des Halbleiterbauelements verringert wird. Durch das Verwenden einer Feldstoppschicht (Feldstoppbauelemente) wird zwischen dem niedrig dotierten n-Gebiet und dem rückseitigen p-Gebiet ein zusätzliches, etwas höher dotiertes n-Gebiet eingebaut, durch die das elektrische Feld komplett abgebaut wird. Damit kann der Punch-Through-Effekt sicher vermieden werden. Halbleiterbauelemente mit Feldstoppschicht werden als Feldstoppbauelemente bezeichnet und können beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), MCTs (MOS Controlled Thyristor), GTOs (Gate Turn-off Thyristor), ESTs (Emitter Switched Thyristor), Thyristoren oder Bipolartransistoren sein. Auch Dioden können in dieser Art ausgelegt werden, wobei in diesem Fall in der Regel ein rückseitiges p-Gebiet durch ein hochdotiertes n-Gebiet ersetzt wird. Der vorgelagerte Feldstopp verhindert hierbei ein Eindringen der Raumladungszone in das hochdotierte n-Gebiet.
  • Wenn keine Feldstoppschicht verwendet werden soll, kann alternativ das niedrig dotierte n-Gebiet so dick gemacht werden, dass das elektrische Feld bzw. die Raumladungszone auch bei Anliegen einer hohen Spannung noch "rechtzeitig" vor dem p-Emitter innerhalb des niedrig dotierten n-Gebiets endet. Hierbei ist nachteilig, dass im Vergleich zu Halbleiterbauelementen mit Feldstoppschicht bei gleicher "Spannungsfestigkeit" eine deutlich höhere Bauelement-Dicke erforderlich ist, womit hohe Durchlass- bzw. Schaltverluste auftreten. Derartige Bauelemente werden als "NPT"-(Non-Punch-Trough)- Bauelemente bezeichnet.
  • Feldstoppbauelemente weisen jedoch folgende Nachteile auf: Beim Abschalten von beispielsweise IGBTs oder beim Kommutieren von Dioden tritt am entsprechenden Halbleiterbauelement eine Überspannung auf, die durch den Stromrückgang an immer vorhandenen parasitären Induktivitäten verursacht wird. Diese Überspannung kann das Halbleiterbauelement zerstören, wenn eine zulässige Betriebsspannung des Bauelements überschritten wird. Weiterhin können Probleme bei der Messung der Durchbruchspannung von Halbleiterbauelementen auftreten. Während eines derartigen Messvorgangs wird dem Halbleiterbauelement ein definierter Strom eingeprägt und die sich dabei ergebende Spannung gemessen. Der Messpunkt liegt hierbei üblicherweise in einem Steilanstiegbereich einer Durchbruchskennlinie. Bei Feldstoppbauelementen kann die Durchbruchskennlinie bereits bei sehr kleinen elektrischen Strömen einen negativen differentiellen Widerstand aufweisen. Ist dies der Fall, so wird sich der Strom bei abnehmender Spannung auf ein Filament zusammenziehen, wodurch das Halbleiterbauelement aufgrund der hohen lokalen Strom- bzw. Verlustleistungsdichte im Allgemeinen zerstört wird.
  • In der Druckschrift DE 197 50 827 A1 ist ein Leistungs-Halbleiterbauelement beschrieben, das eine Feldstoppschicht und mehrere p- bzw. n-Kanal-Transistoren (pn-Übergang zwischen einem Emitter und der Feldstoppschicht sowie Gates, die gegenüber den pn-Übergängen durch eine Isolierschicht elektrisch isoliert sind) aufweist. Mittels der p- bzw. n-Kanal-Transistoren können Kanäle innerhalb der Feldstoppschicht 14 induziert werden, womit Stromflüsse durch die Feldstoppschicht 14 hindurch erzeugbar sind.
  • Weiterhin sei in diesem Zusammenhang auf die Druckschrift DE 44 38 896 A1 verwiesen.
    •
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Halbleiterbauelement mit Feldstoppschicht anzugeben, mit dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 und 2 bereit. Vorteilhafte Ausführungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist ein Raumladungszonengebiet und eine Feldstoppschicht zur räumlichen Begrenzung einer in dem Raumladungszonengebiet ausbildbaren Raumladungszone auf. In der Feldstoppschicht ist wenigestens ein Teil eines p- oder n-Kanal-Transistors vorgesehen. Das Gate des p- oder n-Kanal-Transistors steht mit dem Raumladungszonengebiet in unmittelbarem Kontakt und ist so angeordnet, dass in Abhängigkeit der Ausdehnung der Raumladungszone oder in Abhängigkeit der Stärke eines dazu korrespondierenden elektrischen Felds eine Potentialdifferenz zwischen dem Gate und dem an das Gate angrenzenden Teil des Raumladungszonengebiets entsteht, die ausreichend hoch ist, um einen p-/n-Kanal des p- oder n-Kanal-Transistors ohne separate Ansteuerung zu induzieren/durchlässig zu schalten, so dass ein Strom über den p-/n-Kanal durch die Feldstoppschicht hindurchfließen kann.
  • Damit ist es einerseits möglich, die an dem Halbleiterbauelement anliegenden Spannungen ohne zusätzliche Beschaltung auf einen Höchstwert zu begrenzen, andererseits wird eine Durchbruchskennlinie erhalten, die auch bei relativ großen elektrischen Strömen einen positiven differentiellen Widerstand aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist vorzugsweise so ausgelegt, dass wenigstens ein Teil der Feldstoppschicht an eine Emitterschicht beziehungsweise Emitterbereich (im Folgenden als Emitterschicht bezeichnet) des Halbleiterbauelements/des p-/n-Kanal-Transistors angrenzt. Das Gate des p-/n-Kanal-Transistors ist gegenüber dem Raumladungszonen-Gebiet so angeordnet bzw. steht mit diesem derart in Verbindung, dass eine Potenzialdifferenz zwischen dem Gate und der Emitterschicht des Halbleiterbauelements bzw. des p-/n-Kanal-Transistors entsteht, wobei die Höhe der Potenzialdifferenz von dem Grad der Ausdehnung der Raumladungszone bzw. der lokalen elektrischen Feldstärke in der Raumladungszone abhängt. Der p-/n-Kanal-Transistor ist hierbei so ausgelegt, dass ab Vorliegen einer bestimmten Potenzialdifferenz das Gate einen p-/n-Kanal induziert/durchlässig schaltet.
  • Dazu steht das Gate in unmittelbarem Kontakt mit dem Raumladungszonen-Gebiet beziehungsweise ist Teil des Raumladungszonen-Gebiets. Alternativ hierzu ist es möglich, das Gate gegenüber dem Raumladungszonen-Gebiet elektrisch zu isolieren und mit dem Raumladungszonen-Gebiet lediglich über eine eigens dafür vorgesehene elektrische Verbindung zu kontaktieren. Durch entsprechende Platzierung des in dem Raumladungszonen-Gebiet endenden Teils der elektrischen Verbindung kann hierbei die bei Ausdehnung der Raumladungszone auftretende Potenzialdifferenz zwischen dem Gate und der Emitterschicht des Halbleiterbauelements bzw. des p-/n-Kanal-Transistors gezielt eingestellt werden.
  • Die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur kann prinzipiell in allen Halbleiterbauelementen Verwendung finden, die eine Feldstoppschicht aufweisen, beispielsweise in einem IGBT-, EST-, GTO- oder MCT-Bauteil, sowie in einem Thyristor, einem Bipolartransistor oder einer Diode.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein IGBT-Halbleiterbauelement gemäß dem Stand der Technik mit zugehöriger Feldverteilung des elektrischen Felds, das im Sperrfall durch das Ausbilden der Raumladungszone hervorgerufen wird;
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements mit Feldstoppschicht gemäß der Erfindung mit zugehörigem Potentialverlauf innerhalb und außerhalb eines Gates;
  • 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines IGBT-Halbleiterbauelements mit Feldstoppschicht als erstes Anwendungsbeispiel der Erfindung;
  • 4 eine alternative Ausführungsform eines IGBT-Halbleiterbauelements mit Feldstoppschicht als zweites Anwendungsbeispiel der Erfindung;
  • 5 eine bevorzugte Ausführungsform einer Diode mit Feldstoppschicht als drittes Anwendungsbeispiel der Erfindung;
  • 6 eine Diode mit Feldstoppschicht gemäß dem Stand der Technik;
  • 7 ein laterales IGBT-Halbleiterbauelement mit Feldstoppschicht als viertes Anwendungsbeispiel der Erfindung;
  • 8 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines lateralen IGBT-Halbleiterbauelements mit Feldstoppschicht als fünftes Anwendungsbeispiel der Erfindung.
  • In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt ein IGBT-Halbleiterbauelement 1, das folgendermaßen aufgebaut ist: auf eine Rückseitenmetallschicht 2 ist eine p-Emitterschicht 3 aufgebracht, auf der wiederum eine n-Feldstoppschicht 4 vorgesehen ist. Auf der n-Feldstoppschicht 4 ist ein n-Basisgebiet 5 vorgesehen, dessen Dotierungsstärke gegenüber der der n-Feldstoppschicht 4 gering ist. In die Oberseite des n-Basisgebiets bzw. der n-Basisschicht 5 sind ein erstes und zweites p-Körpergebiet 6, 7 eingelassen. Im ersten p-Körpergebiet 6 befindet sich ein erstes n-Sourcegebiet 8; analog hierzu ist im zweiten p-Körpergebiet 7 ein zweites n-Sourcegebiet 9 vorgesehen. Das erste p-Körpergebiet 6 ist von dem zweiten p-Körpergebiet 7 durch das n-Basisgebiet 5 getrennt. Weiterhin ist eine Isolatorschicht (Oxidschicht) 10 vorgesehen, die die Oberseite des n-Basisgebiets 5 sowie Teile des ersten und zweiten p-Körpergebiets 6, 7 bzw. des ersten und zweiten n-Sourcegebiets 8, 9 abdeckt. Innerhalb der Oxidschicht 10 ist ein Gate 11 vorgesehen. Von der Oxidschicht 10 nicht bedeckte Oberflächenteile des ersten und zweiten p-Körpergebiets 6, 7 bzw. des ersten und zweiten n-Sourcegebiets 8, 9 werden durch eine Vorderseitenmetallschicht 12 bedeckt, die auch die Oxidschicht 10 bedeckt.
  • Im Sperrfall wird eine vom ersten und zweiten p-Körpergebiet 6, 7 ausgehende, sich im n-Basisgebiet 5 ausbreitende Raumladungszone durch die n-Feldstoppschicht 4 gestoppt, so dass sich die mit Bezugszeichen 13 gekennzeichnete Feldverteilung ergibt.
  • In 2 ist der schematische Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1A mit Feldstoppschicht anhand einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Der in 2 gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Aufbau im Wesentlichen dadurch, dass die p-Emitterschicht 3 sowie die n-Feldstoppschicht 4 durch eine Isolatorstruktur 14 (beispielsweise Siliziumoxid) durchbrochen werden. Die Isolatorstruktur 14 weist eine hufeisenähnliche Form auf, in die ein Gate 19 eines p-Kanal-Transistors aufgenommen ist. Die Isolatorstruktur 14 isoliert das Gate 19 gegenüber der Rückseitenmetallschicht 2. In den Grenzbereichen, in denen die n-Feldstoppschicht 4 an die Isolatorstruktur 14 angrenzt, ist jeweils ein p-Kanal induzierbar/auf Durchlass schaltbar (erster und zweiter p-Kanal 15, 16). Eine Vorderseite des in 2 gezeigten Halbleiterbauteils 1A ist lediglich als schematischer pn-Übergang mit einer Vorderseitenmetallschicht 12 und einer p-Schicht 17 angedeutet. Diese beiden Schichten können durch eine beliebige andere Struktur ersetzt werden. Der p-Kanal-Transistor liegt innerhalb des mit Bezugszeichen 18 gekennzeichneten punktierten Rahmens.
  • Durch die Isolatorstruktur 14 wird bewirkt, dass bei Ausdehnung der Raumladungszone auf ein Gebiet, das durch einen Pfeil 20 angedeutet wird, innerhalb des Gates 19 ein geringeres Potenzial vorliegt, verglichen zu Positionen, die auf der gleichen vertikalen Position innerhalb der benachbarten, lateral angrenzenden n-Feldstoppschicht 4 bzw. p-Emitterschicht 3 liegen. Diese Potenzialdifferenz bewirkt das Induzieren der beiden p-Kanäle 15, 16 bzw. das Schalten der beiden p-Kanäle 15, 16 auf Durchlass.
  • In 2 ist weiterhin ein Potentialverlauf 31 innerhalb des Gates 19 sowie ein Potentialverlauf 32 außerhalb des Gates 19 gezeigt. Der Potentialverlauf 31 innerhalb des Gates 19 ist beispielsweise der Potentialverlauf, der sich ergibt, wenn man sich entlang der linken Kante des Rahmens 18 bewegt. Analog hierzu ergibt sich der Potentialverlauf 32 außerhalb des Gates 19, wenn man sich entlang der rechten Kante des Rahmens 18 durch das Halbleiterbauelement 1A bewegt. Die beiden Potentialverläufe 31, 32 sind bis zu einem Potentialverlauf-Schnittpunkt 34 identisch, dann spalten sie sich in zwei verschiedene Potentialverläufe auf, so dass eine Potentialdifferenz 33 entsteht. Die Potentialdifferenz 33 liegt zwischen dem Gate 19 und der p-Emitterschicht 3 an und bewirkt, dass der erste bzw. zweite p-Kanal 15, 16 induziert/durchlässig gestaltet wird. Mit anderen Worten: Die Potentialdifferenz steht als Gatespannung für den p-Kanaltransistor zur Verfügung. Die Potentialverläufe für die in 3 bis 8 gezeigten Halbleiterbauelemente sind hierzu analog. Da man streng genommen diese entlang eines nicht gerade verlaufenden Pfads darzustellen hätte, sind der besseren Verständlichkeit halber derartige Potentialverläufe nicht gezeigt.
  • Der in 3 gezeigte Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1B unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Aufbau dadurch, dass die in 2 gezeigte Vorderseitenstruktur (Vorderseitenmetallschicht 12, p-Gebiet 17) durch die in 1 gezeigte Vorderseitenstruktur ersetzt ist. Weiterhin steht das Gate 19 in direktem Kontakt mit dem n-Basisgebiet 5, das heißt, das Gate 19 besteht aus dem gleichen Material wie das n-Basisgebiet 5. Die Funktionsweise der in 3 gezeigten Ausführungsform entspricht der Funktionsweise der in 2 gezeigten Ausführungsform.
  • Der in 4 gezeigte Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1C entspricht im Wesentlichen dem in 3 gezeigten Aufbau, mit der Ausnahme, dass das Gate 19 nicht vollständig aus dem Material des n-Basisgebiets 5 besteht (also nicht homogen dotiert ist), sondern aus p- beziehungsweise n-Schichten (Bezugszeichen 21 bzw. 22) besteht, die Fortführungen der lateral angrenzenden Halbleiterschichten (n-Feldstoppschicht 4 sowie p-Emitterschicht 3) darstellen. Auch in diesem Fall wird aufgrund des Vorhandenseins der Isolatorstruktur 14 eine Potenzialdifferenz zwischen dem Gate 19 und der p-Emitterschicht 3 erzeugt, wobei die Potenzialdifferenz bei Überschreiten eines gewissen Potenzial-Schwellenwerts die p-Kanäle 15, 16 (hier nicht gezeigt) induziert/durchlässig schaltet.
  • In 5 ist als weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements eine Diode 1D mit Feldstoppschicht gezeigt. Der Aufbau dieser Diode unterscheidet sich von dem in 4 gezeigten Aufbau im Wesentlichen dadurch, dass die p-Emitterschicht 3 wenigstens teilweise durch eine n+-Emitterschicht 24 ersetzt ist. Die Vorderseite der Diode 1D wird durch eine p-Emitterschicht 23 und eine darauf angebrachte Vorderseitenmetallschicht 12 gebildet. Auch in diesem Fall wird aufgrund des Vorhandenseins der Isolatorstruktur 14 eine Potenzialdifferenz zwischen dem Gate 19 und der p-Emitterschicht 3 erzeugt, wobei die Potenzialdifferenz bei Überschreiten eines gewissen Potenzial-Schwellenwerts die p-Kanäle 15, 16 (hier nicht gezeigt) induziert/durchlässig schaltet.
  • Das in 6 gezeigte Beispiel einer Diode 1E mit Feldstoppschicht gemäß dem Stand der Technik unterscheidet sich von dem in 5 gezeigten Aufbau 1D einer erfindungsgemäßen Diode dadurch, dass die n-Feldstoppschicht 4 bzw. die n+-Emitterschicht 24 nicht durch eine Isolatorstruktur 14 unterbrochen sind. Ein weiterer Unterschied ist, dass in die n+-Emitterschicht 24 keine p-Emitterschicht 3 integriert ist.
  • In 7 und 8 sind zu den in den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen analoge laterale Strukturen 1F, 1G von erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen gezeigt. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen lateralen IGBT-Halbleiterbauelements 1F. Das n-Basisgebiet 5 ist auf einer Oxid- bzw. Siliziumschicht (schwach p-dotiert) 25 aufgebracht. In das n-Basisgebiet 5 ist ein p-Körpergebiet 6 sowie eine p-Emitterschicht 3 eingelassen, wobei die p- Emitterschicht 3 durch eine n-Feldstoppschicht 4 von dem n-Basisgebiet 5 getrennt ist. Weiterhin ist auf dem p-Körpergebiet 6 eine Emitterschicht 26 vorgesehen, und auf der p-Emitterschicht 3 eine Kollektorschicht 27 vorgesehen.
  • Wenn sich die Raumladungszone von dem p-Körpergebiet 6 ausgehend in Richtung der n-Feldstoppschicht 4 ausbreitet, wird diese durch die n-Feldstoppschicht 4 gestoppt. Die Isolatorstruktur 14 bewirkt hierbei, dass zwischen dem links der Isolatorstruktur 14 und dem rechts davon befindlichen Teil der n-Feldstoppschicht 4 bzw. dem rechts davon befindlichen Teil der p-Emitterschicht 3 (die zusammen ein Gate zum Induzieren eines p-Kanals 15 bilden) eine Potenzialdifferenz entsteht, die groß genug ist, um den p-Kanal 15 zu induzieren bzw. durchlässig zu schalten.
  • Das in 8 gezeigte Ausführungsbeispiel 1G eines erfindungsgemäßen lateralen IGBT-Halbleiterbauelements unterscheidet sich von dem in 7 gezeigten Aufbau dadurch, dass anstelle der Isolatorstruktur 14 ein zusätzliches Gate 28 vorgesehen ist, das durch eine Isolatorschicht, beispielsweise eine Oxidschicht 10 von dem n-Basisgebiet 5 elektrisch isoliert ist. Das zusätzliche Gate 28 ist jedoch mit einem innerhalb des n-Basisgebiets 5 gelegenen n-Gebiet 29 verbunden, das eine etwas höhere Dotierung als die des n-Basisgebiets 5 aufweist. Die elektrische Verbindung des zusätzlichen Gates 28 mit dem n-Gebiet 29 bewirkt, dass zwischen der p-Emitterschicht 3 und dem zusätzlichen Gate 28 eine Potenzialdifferenz entsteht, die ausreichend ist, um einen p-Kanal 15 zu induzieren bzw. durchlässig zu schalten. Die Potenzialdifferenz tritt auf, sobald eine sich von dem p-Körpergebiet 6 ausbreitende Raumladungszone das n-Gebiet 29 erreicht und dort ein elektrisches Feld ausreichender Stärke erzeugt. Durch Ändern der Position des n-Gebiets 29 (z.B. in horizontaler bzw. vertikaler Richtung) kann die Höhe einer derartigen Potenzialdifferenz gezielt eingestellt werden.
  • Die Erfindung lässt sich auch wie folgt darstellen: Das grundlegende Prinzip der Erfindung besteht darin, bei Feldstoppbauelementen die Feldstoppschicht durch einen p-Kanal-Transistor zu überbrücken, der sich bei Anliegen einer vorbestimmten Kollektor-Emitter-Spannung oder einer bestimmten an der Feldstoppschicht anliegenden Feldstärke von selbst einschaltet und damit einen Stromfluss erzeugt.
  • Auf diese Weise wird die Abschaltüberspannung auf einen wert begrenzt, bei dem der p-Kanal-Transistor den von den Streuinduktivitäten erzwungenen Strom generiert. Da der Strom beim Einschalten des p-Kanal-Transistors nicht plötzlich, sondern erst allmählich mit zunehmender Spannung ansteigt, ergibt sich auch eine Durchbruchskennlinie mit positivem differentiellem Widerstand, so dass die Durchbruchspannung problemlos gemessen werden kann. Der p-Kanal-Transistor hat als Source einen rückseitigen p-Emitter, als Drain ein vorderseitiges p-Gebiet (Kanalgebiet, Bodygebiet), wobei eine die Sperrspannung aufnehmende Raumladungszone sich ausgehend vom vorderseitigen p-Gebiet bis zum Feldstoppgebiet bzw. noch ein Stück weit in dieses hinein erstreckt. Der p-Kanal bildet sich in der Feldstoppschicht zwischen dem p-Emitter und der Raumladungszone aus. Das Gate des p-Kanal-Transistors hat keinen externen Anschluss, sondern steht mit dem Ende der Raumladungszone in Verbindung und wird über die durch die Raumladungszone erzeugte Potenzialdifferenz zum p-Emitter eingeschaltet, sobald diese die Einsatzspannung des p-Kanal-Transistors überschreitet.
  • Die Erfindung stellt somit Feldstoppbauelemente (IGBTs, ESTs, GTOs, MCTs, Dioden und dergleichen) bereit, die einen n- oder p-Kanal-Transistor aufweisen, wobei die Transistoren bei Anliegen einer bestimmten Kollektor-Emitter-Spannung oder einer bestimmten an der Feldstoppschicht anliegenden Feldstärke von selbst einschalten und damit einen Stromfluss erzeugen (2). Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass in der Rückseite des Feldstoppbauelements ein von der Rückseiten-Metallisierung isoliertes Gate angeordnet wird, das zwischen einem mit der Rückseiten-Metallisierung verbundenen Dotierungsgebiet und der im Sperrfall aufgespannten Raumladungszone einen MOS-Kanal induzieren kann (2). Das Gate kann mit der n-Basis in direktem Kontakt stehen. In 3 und 4 sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen das genannte Dotierungsgebiet der rückseitige p-Emitter ist. In 5 ist eine Diode gezeigt, wobei das genannte Dotierungsgebiet ein zum rückseitigen n-Emitter parallel angeordnetes p-Gebiet ist. Das Gate kann hierbei wie die n-Basis dotiert sein (2, 3) oder alternativ wie die jeweils lateral angrenzenden Gebiete (4, 5) oder auch anders (hoch n- oder p-dotiert, dotiertes Polysilizium).
  • Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in [2] Bauelemente beschrieben werden, die sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite schaltbare MOS-Kanäle aufweisen. In [3] ist eine ähnliche Struktur gezeigt, bei der die Gates jeweils in Trenchs (Gräben) angeordnet sind. Weitere Strukturen mit Rückseitengates sind in [4, 5] gezeigt. Bei all diesen Strukturen geht es darum, das Rückseitengate gezielt über einen separaten zugehörigen Anschluss zu schalten, um das Ein- oder Ausschalten oder auch die Art des Durchlasszustandes zu beeinflussen.
  • Alle beschriebenen Ausführungsformen können natürlich invers dotiert sein, d. h. n- und p-Gebiete können miteinander vertauscht sein.
  • Referenzen
    • 1
    IGBT-Halbleiterbauelement
    2
    Rückseitenmetallschicht
    3
    p-Emitterschicht
    4
    n-Feldstoppschicht
    5
    n-Basisgebiet
    6
    erstes p-Körpergebiet
    7
    zweites p-Körpergebiet
    8
    erstes n-Sourcegebiet
    9
    zweites n-Sourcegebiet
    10
    Oxidschicht
    11
    Gate
    12
    Vorderseitenmetallschicht
    13
    Feldverteilung
    14
    Isolatorstruktur
    15
    erster p-Kanal
    16
    zweier p-Kanal
    17
    p-Schicht
    18
    Rahmen
    19
    Gate
    20
    Pfeil
    21
    n-Schicht
    22
    p-Schicht
    23
    p-Emitterschicht
    24
    n+-Emitterschicht
    25
    Oxid- bzw. Siliziumschicht
    26
    Emitterschicht
    27
    Kollektorschicht
    28
    zusätzliches Gate
    29
    n-Gebiet
    30
    elektrische Verbindung
    31
    Potentialverlauf innerhalb des Gates
    32
    Potentialverlauf außerhalb des Gates
    33
    Potentialdifferenz
    34
    Potentialverlauf-Schnittpunkt

Claims (4)

  1. Halbleiterbauelement (1A bis 1F), das ein Raumladungszonengebiet (5) und eine Feldstoppschicht (4) zur räumlichen Begrenzung einer in dem Raumladungszonengebiet (5) ausbildbaren Raumladungszone aufweist, wobei in der Feldstoppschicht (4) wenigestens ein Teil eines p- oder n-Kanal-Transistors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gate (14, 19) des p- oder n-Kanal-Transistors mit dem Raumladungszonengebiet (5) in unmittelbarem Kontakt steht und so angeordnet ist, dass in Abhängigkeit der Ausdehnung der Raumladungszone oder in Abhängigkeit der Stärke eines dazu korrespondierenden elektrischen Feldes eine Potentialdifferenz zwischen dem Gate (14, 19) und dem an das Gate angrenzenden Teil des Raumladungszonengebiets (5) entsteht, die ausreichend hoch ist, um einen p-/n-Kanal (15, 16) des p- oder n-Kanal-Transistors zu induzieren/durchlässig zu schalten, so dass ein Strom über den p-/n-Kanal (15, 16) durch die Feldstoppschicht (4) hindurch fließen kann.
  2. Halbleiterbauelement (1G), das ein Raumladungszonengebiet (5) und eine Feldstoppschicht (4) zur räumlichen Begrenzung einer in dem Raumladungszonengebiet (5) ausbildbaren Raumladungszone aufweist, wobei in der Feldstoppschicht (4) wenigestens ein Teil eines p- oder n-Kanal-Transistors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gate (28) des p- oder n-Kanal-Transistors gegenüber dem Raumladungszonengebiet (5) elektrisch isoliert ist, jedoch über eine elektrische Verbindung (30) mit einem bestimmten Bereich (29) des Raumladungszonengebiets (5) in elektrischem Kontakt steht und so angeordnet ist, dass in Abhängigkeit der Ausdehnung der Raumladungszone oder in Abhängigkeit der Stärke eines dazu korrespondierenden elektrischen Feldes eine Potentialdifferenz zwischen dem Gate (28) und dem bestimmten Bereich des Raumladungszonengebiets entsteht, die ausreichend hoch ist, um einen p-/n-Kanal (15, 16) des p- oder n-Kanal-Transistors ohne separate Ansteuerung zu induzieren/durchlässig zu schalten, so dass ein Strom über den p-/n-Kanal (15, 16) durch die Feldstoppschicht (4) hindurch fließen kann.
  3. Halbleiterbauelement (1A bis 1G) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Feldstoppschicht (4) an eine Emitterschicht (3) des Halbleiterbauelements (1A bis 1G) bzw. des p-/n-Kanals (15, 16) angrenzt.
  4. Halbleiterbauelement (1A bis 1G) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein IGBT-, EST-, GTO- oder MCT-Bauteil, ein Thyristor, ein Bipolartransistor bzw. eine Diode ist.
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