WO2000024061A1 - Semiconductor power component, operational method and use thereof as a switch - Google Patents

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Andreas SCHLÖGL
Hans-Joachim Schulze
Gerald Deboy
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor component which has a structure of a compensation component, an operating method for such components and the use as a switch.
  • Compensation components have a semiconductor body with a blocking pn junction and m-doped and p-doped regions in the longitudinal direction of the current flow, which are arranged parallel to one another. This should primarily bring about an improvement in the on-resistance, such as. B. m the patents US 4,754,310 and US 5,216,275. In such
  • Compensation components are, for example, MOSFET, diodes, thyristors or GTOs.
  • Compensation components are based on mutual compensation of the charge of n-doped and p-doped regions in the drift region.
  • the regions are arranged in such a way that the integral over the doping of the semiconductor material along a line perpendicular to the current flow is smaller than the material-specific breakdown charge, which for silicon is approximately 2 ⁇ 10 1 “ cm ” 2 .
  • a vertical MOSFET z. B a low n-type doped region of the semiconductor body, which is provided for the vertical current flow from the formed on the top of the semiconductor body and controlled with a gate electrode channel to an applied on the rear contact, laterally by p-type doped semiconductor material bordered. This results in a linear dependence of the switch-on resistance on the maximum blocking voltage.
  • the object of the present invention is to provide a power semiconductor component which is particularly suitable as a circuit breaker or converter and has a significantly reduced static and dynamic power loss. Another task is to specify a circuit breaker suitable for low temperature applications.
  • a compensation component of the type described in the introduction is cooled to a low temperature below 250 K, preferably with liquid nitrogen.
  • the component can e.g. B. by setting up a suitable housing for cooling.
  • the invention can be used as a method for operating a compensation component in any such components.
  • Special exemplary embodiments to be described below are particularly suitable for the cooling according to the invention, temperatures below 80 K being particularly preferably used. Under these conditions, these components have particularly favorable operating properties. Therefore, these components are for use as switches in
  • Low temperature devices such as. B. in circuits with superconducting components, suitable.
  • Figure 1 shows the structure of a component according to the invention in cross section.
  • FIGS. 2, 3 and 4 show a top view, a cross section and an oblique view of alternative exemplary embodiments.
  • FIGS. 5 and 6 each show sections of further possible exemplary embodiments for structures of the component which are suitable according to the invention.
  • FIG. 1 shows a transistor, which has the structure of a compensation component, in cross section.
  • this component 10 doped regions are formed in a semiconductor body, which form a transistor structure.
  • the back layer 1 and the regions 7 are each doped for electrical conductivity of a first conductivity type, preferably n-conductivity.
  • the regions 7 are embedded in regions 6 doped in opposite thereto.
  • a compensation structure which is formed by regions 4, 5 arranged parallel to one another in the longitudinal direction of the intended current flow.
  • the regions 4 shown each have the conductivity type of the layer 1 and the regions 7.
  • the regions 5 are each doped in opposite directions.
  • the areas 5 thus have the same
  • Gate electrodes 8 are provided, which are insulated from the semiconductor material by dielectric material 9 and with which these channels can be controlled.
  • the further layer 3 shown in FIG. 1 is for the same
  • FIGS. 2 and 3 Conductivity type like the higher doped layer 1 doped and can also be omitted.
  • FIGS. 2 and 3 Alternative exemplary embodiments are shown in FIGS. 2 and 3.
  • areas 11, 17 are present, each of which is doped for the first conductivity type.
  • the region 17 is adjoined by a region 16 doped in the opposite direction, above which a gate electrode 18 is arranged.
  • the area 17 is provided with a contact, not shown.
  • a contact 12 is also applied to the area 11.
  • the area 16 has strip-shaped extensions 15 which run parallel to areas 14 of the same conductivity type as the area 11. This interlocking of the areas 14 and 15 shown in FIG. 2 forms the structure of the compensation component.
  • This intermediate region 30 can be omitted and the regions 15 can be brought up to the region 11 in accordance with the dash-dotted lines. However, it is advantageous if the regions 15 end at a distance from the oppositely doped region 11, which leads to an increase in the blocking voltage, a softer course of the electrical field and an improvement in the commutation properties of the inverse diode.
  • FIG. 3 a comparable exemplary embodiment is shown in cross section, in which there is a nesting of the regions, which run parallel to one another in the current direction and are provided for the compensation, in the vertical direction of the component.
  • the regions 27 and 21 doped for the same conductivity type are connected to one another via the compensation structure of the regions 24, 25.
  • the region 27 is embedded in a region 26 of opposite conductivity type, which is part of one of the regions of the compensation structure doped for the opposite conductivity type. Over one of this area 26
  • the channel formed is located on a lateral surface of the semiconductor body 10 above a dielectric layer 29, a gate electrode 28.
  • the area 21 corresponding to the area 11 in FIG.
  • the channel formed in the region 16 can also be controlled on a lateral surface of the semiconductor body 10.
  • Embodiment of Figure 2 can be viewed.
  • the regions 11, 17 are also present here, each of which is doped for the first conductivity type.
  • the region 17 is adjoined by a region 16 doped in the opposite direction, above which a gate electrode 18 is arranged.
  • the area 17 is provided with a contact 19 which preferably contacts both areas 16 and 17.
  • a contact 12 is applied to the area 11.
  • the area 16 has strip-shaped extensions 15 which run parallel to areas 14 of the same conductivity type as the area 11 and preferably end at the intermediate area 30. Adjacent to area 11, on the side facing away from the compensation structure, there is another area 33 which is doped for the same conductivity type as area 16.
  • This further region 33 is provided with a contact 32, which is preferably also electrically conductively connected to the region 11, e.g. B. is buried in the manner shown in the figure up to area 11.
  • a second gate electrode 39 serves to control the channel formed on the surface of the regions 11 and 30. With this component, it is therefore possible to control the current flow in the opposite direction, so that the Current flow of the charge carrier of opposite sign can be used for the functioning of the component.
  • the current paths are indicated schematically by the arrows.
  • the contacts 19 and 32 are conductively connected to the regions 16 and 11 in order to be able to put the surface portion of the semiconductor body provided for the respective channel at a defined potential with respect to the gate electrode.
  • the area 11 must be doped sufficiently high so that the area 11 is not cleared of charge carriers and no source-drain short circuit occurs.
  • the top structure of the component shown in cross section in FIG. 1 can be modified in accordance with the structures shown in cross section in FIGS. 5 and 6.
  • the structure of a JFET is formed above the compensation structure which is formed by the differently doped regions 44 and 45.
  • region 37 is doped for the same sign of the conductivity type as the region 44 arranged underneath.
  • the region 37 is surrounded all around by a region 36 doped opposite thereto, which therefore has the same sign of the conductivity as that adjoining the region 44 laterally
  • the regions 36 and 37 are provided with electrical contacts 48 and 23, which are preferably buried in the semiconductor material.
  • FIG. 6 shows a modification of the doped regions formed on the upper side of the semiconductor body in accordance with the detail from FIG. 5.
  • the middle region of the compensation structure is a region 47 doped for the same sign of conductivity, which is preferably highly doped, embedded.
  • the area 47 is encircled by an area 46 arranged at a distance from the area 47 opposite sign of conductivity surrounded. This area 46 borders on the area 45 of the compensation structure, which is also doped in the opposite direction to the area 44.
  • the areas 46 and 47 are provided with electrical contacts 48 and 23, respectively, as shown in FIG.
  • the various described exemplary embodiments show how a compensation component designed according to the invention is constructed.
  • Such components are characterized by a very low switch-on resistance and the separation of electrons and holes in different rail areas during the operation of the component. Due to this fact, the advantages of unipolar components can be exploited, since there is no scattering of the different ones
  • Charge carriers occur together.
  • the mobility of the charge carriers in the semiconductor material responsible for the electrical conductivity is u. a. due to electron-hole scattering (carrier-carrier scattering), phonons, defects in the lattice structure and ionized atoms (foreign atoms introduced by the doping, which also represent defects) and the respective temperature dependence of the effects caused thereby.
  • Compensation component are doped higher, so that the conductivity is higher compared to the MOSFET and the component still has a high blocking capacity.
  • the doping must not be too high, so as not to reduce too much the improvement in conductivity in the intended low temperature range due to the impurities (ionized atoms) introduced by the doping, and so to weaken the desired positive effect too much.
  • the component according to the invention or a compensation component operated in cooling mode is therefore particularly suitable for low-temperature applications at 230 K and less. It is therefore particularly suitable for an application such.
  • the switching speed of the switching process improving with decreasing temperatures. This is due to the fact that, when the transistor is blocked, the space charge zone extends beyond the zones of different conduction types which are arranged closely adjacent to one another and form the compensation structure.
  • the space charge of the areas of the majontate charge carrier type is neutralized by the charge carriers injected through the channel, while the space charge of the regions of the opposite conductivity type is to be compensated for by diffusion of charge carriers from the preferably p-doped regions 6.
  • the transistors with vertical and lateral structure and as n-channel transistors or as p-channel transistors can be formed.
  • FIGS. 1 to 3 are preferably cooled below 150 K, better still below 120 K.
  • the double gate structures corresponding to the exemplary embodiment shown in FIG. 4 show their particular advantages with cooling below 100 K, preferably below 80 K, which, for. B. can be done in the preferred form by means of liquid nitrogen. A particularly advantageous energy balance can be achieved with the component according to the invention with liquid nitrogen.

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Abstract

A compensating component is cooled to a temperature of below 250 K, preferably to temperatures below 800 K. Preferably, liquid nitrogen is used. This enables components with particularly good operating characteristics to be obtained.

Description

Beschreibungdescription
Leistungshalbleiterbauelement, Betriebsverfahren und Verwendung als SchalterPower semiconductor device, operating method and use as a switch
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement, das einen Aufbau eines Kompensationsbauelementes aufweist, ein Betriebsverfahren für derartige Bauelemente und die Verwendung als Schalter.The present invention relates to a power semiconductor component which has a structure of a compensation component, an operating method for such components and the use as a switch.
Kompensationsbauelemente besitzen einen Halbleiterkorper mit einem sperrenden pn-Ubergang und m Längsrichtung des Stromflusses n-leitend und p-leitend dotierte Bereiche, die parallel zueinander angeordnet sind. Dadurch soll vorrangig eine Verbesserung des Einschaltwiderstandes bewirkt werden, wie z. B. m den Patentschriften US 4,754,310 und US 5,216,275 beschrieben ist. Bei solchenCompensation components have a semiconductor body with a blocking pn junction and m-doped and p-doped regions in the longitudinal direction of the current flow, which are arranged parallel to one another. This should primarily bring about an improvement in the on-resistance, such as. B. m the patents US 4,754,310 and US 5,216,275. In such
Kompensationsbauelementen handelt es sich beispielsweise um MOSFET, Dioden, Thyristoren oder GTOs .Compensation components are, for example, MOSFET, diodes, thyristors or GTOs.
Kompensationsbauelemente beruhen auf einer gegenseitigen Kompensation der Ladung von n-dotierten und p-dotierten Gebieten m der Driftregion. Die Gebiete sind so angeordnet, daß das Integral über die Dotierung des Halbleitermateriales längs einer senkrecht zum Stromfluß verlaufenden Linie kleiner ist als die materialspezifische Durchbruchsladung, die für Silizium etwa 2xl01_" cm"2 betragt. Bei einem vertikalen MOSFET ist z. B. ein niedrig n-leitend dotierter Bereich des Halbleitergrundkorpers, der für den vertikalen Stromfluß von dem an der Oberseite des Halbleiterkorpers ausgebildeten und mit einer Gate-Elektrode gesteuerten Kanal zu einem an der Ruckseite aufgebrachten Kontakt vorgesehen ist, seitlich durch p-leitend dotiertes Halbleitermaterial eingefaßt. Daraus resultiert eine lineare Abhängigkeit des Einschaltwiderstandes von der maximalen Blockierspannung. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungshalbleiterbauelement anzugeben, das insbesondere als Leistungsschalter oder Umrichter geeignet ist und eine deutlich verringerte statische und dynamische Verlustleistung aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen für Tieftemperaturanwendungen geeigneten Leistungsschalter anzugeben.Compensation components are based on mutual compensation of the charge of n-doped and p-doped regions in the drift region. The regions are arranged in such a way that the integral over the doping of the semiconductor material along a line perpendicular to the current flow is smaller than the material-specific breakdown charge, which for silicon is approximately 2 × 10 1 “ cm ” 2 . In a vertical MOSFET z. B. a low n-type doped region of the semiconductor body, which is provided for the vertical current flow from the formed on the top of the semiconductor body and controlled with a gate electrode channel to an applied on the rear contact, laterally by p-type doped semiconductor material bordered. This results in a linear dependence of the switch-on resistance on the maximum blocking voltage. The object of the present invention is to provide a power semiconductor component which is particularly suitable as a circuit breaker or converter and has a significantly reduced static and dynamic power loss. Another task is to specify a circuit breaker suitable for low temperature applications.
Diese Aufgaben werden mit dem Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 und mit dem Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes mit den Merkmalen des Anspruches 7 bzw. mit der Verwendung gemäß den Merkmalen des Anspruches 12 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These objects are achieved with the semiconductor component with the features of claim 1 and with the method for operating a semiconductor component with the features of claim 7 or with the use according to the features of claim 12. Refinements result from the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Kompensationsbauelement der eingangs beschriebenen Art auf eine niedrige Temperatur unterhalb 250 K, vorzugsweise mit flüssigem Stickstoff, gekühlt wird. Das Bauelement kann z. B. durch die Wahl eines geeigneten Gehäuses für die Kühlung speziell eingerichtet sein. Grundsätzlich ist die Erfindung aber als Verfahren zum Betrieb eines Kompensationsbauelementes bei beliebigen derartigen Bauelementen einsetzbar. Spezielle weiter unten zu beschreibende Ausführungsbeispiele sind in besonderer Weise für die erfindungsgemäße Kühlung geeignet, wobei insbesondere vorzugsweise Temperaturen unterhalb 80 K verwendet werden. Unter dieser Bedingung stellen sich bei diesen Bauelementen besonders günstige Betriebseigenschaften ein. Daher sind diese Bauelemente zur Verwendung als Schalter inAccording to the invention, the object is achieved in that a compensation component of the type described in the introduction is cooled to a low temperature below 250 K, preferably with liquid nitrogen. The component can e.g. B. by setting up a suitable housing for cooling. In principle, however, the invention can be used as a method for operating a compensation component in any such components. Special exemplary embodiments to be described below are particularly suitable for the cooling according to the invention, temperatures below 80 K being particularly preferably used. Under these conditions, these components have particularly favorable operating properties. Therefore, these components are for use as switches in
Tieftemperaturvorrichtungen, wie z. B. in Schaltungen mit supraleitenden Komponenten, geeignet.Low temperature devices, such as. B. in circuits with superconducting components, suitable.
Es folgt eine Beschreibung der Erfindung anhand einiger Beispiele, die durch die beigefügten Figuren näher erläutert werden. Figur 1 zeigt die Struktur eines erfindungsgemäßen Bauelementes im Querschnitt.A description of the invention follows with the aid of a few examples, which are explained in more detail by the attached figures. Figure 1 shows the structure of a component according to the invention in cross section.
Figuren 2, 3 und 4 zeigen eine Aufsicht, einen Querschnitt und eine Schrägansicht alternativer Ausführungsbeispiele.FIGS. 2, 3 and 4 show a top view, a cross section and an oblique view of alternative exemplary embodiments.
Figuren 5 und 6 zeigen jeweils in Ausschnitten weitere mögliche Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäß geeignete Strukturen des Bauelementes.FIGS. 5 and 6 each show sections of further possible exemplary embodiments for structures of the component which are suitable according to the invention.
Figur 1 zeigt einen Transistor, der die Struktur eines Kompensationsbauelementes aufweist, im Querschnitt. Bei diesem Bauelement sind in einem Halbleiterkörper 10 dotierte Bereiche ausgebildet, die eine Transistorstruktur bilden. Die rückseitige Schicht 1 und die Bereiche 7 sind jeweils für elektrische Leitfähigkeit eines ersten Leitungstyps, vorzugsweise n-Leitung, dotiert. Die Bereiche 7 sind in entgegengesetzt dazu dotierte Bereiche 6 eingebettet. Zwischen der Schicht 1 und den Bereichen 6 befindet sich eine Kompensationsstruktur, die durch in Längsrichtung des vorgesehenen Stromflusses parallel zueinander angeordnete Bereiche 4, 5 gebildet ist. Die eingezeichneten Bereiche 4 besitzen jeweils den Leitf higkeitstyp der Schicht 1 und der Bereiche 7. Die Bereiche 5 sind dazu jeweils entgegengesetzt dotiert. Die Bereiche 5 besitzen also denselbenFIG. 1 shows a transistor, which has the structure of a compensation component, in cross section. In this component 10 doped regions are formed in a semiconductor body, which form a transistor structure. The back layer 1 and the regions 7 are each doped for electrical conductivity of a first conductivity type, preferably n-conductivity. The regions 7 are embedded in regions 6 doped in opposite thereto. Between the layer 1 and the regions 6 there is a compensation structure which is formed by regions 4, 5 arranged parallel to one another in the longitudinal direction of the intended current flow. The regions 4 shown each have the conductivity type of the layer 1 and the regions 7. The regions 5 are each doped in opposite directions. The areas 5 thus have the same
Leitfähigkeitstyp wie die Bereiche 6. Für den elektrischen Anschluß sind ein rückseitiger Kontakt 2 auf der Schicht 1 und ein vorderseitiger Kontakt 20 vorgesehen, der auf die Bereiche 7 aufgebracht ist und bis in die Bereiche 6 hinein vergraben ist. Für die Kanäle, die an den Oberseiten desConductivity type like regions 6. For the electrical connection, a rear contact 2 on the layer 1 and a front contact 20 are provided, which is applied to the regions 7 and is buried into the regions 6. For the channels on the top of the
Halbleiterkörpers 10 in den Bereichen 6 vorgesehen sind, sind Gate-Elektroden 8 vorhanden, die durch dielektrisches Material 9 von dem Halbleitermaterial isoliert sind und mit denen diese Kanäle gesteuert werden können. Die in der Figur 1 eingezeichnete weitere Schicht 3 ist für denselbenSemiconductor body 10 are provided in the areas 6, gate electrodes 8 are provided, which are insulated from the semiconductor material by dielectric material 9 and with which these channels can be controlled. The further layer 3 shown in FIG. 1 is for the same
Leitfähigkeitstyp wie die höher dotierte Schicht 1 dotiert und kann auch weggelassen sein. In den Figuren 2 und 3 sind alternative Ausführungsbeispiele gezeigt. In der schematischen Aufsicht der Figur 2 sind Bereiche 11, 17 vorhanden, die jeweils für den ersten Leit- fähigkeitstyp dotiert sind. An den Bereich 17 schließt ein entgegengesetzt dazu dotierter Bereich 16 an, über dem eine Gate-Elektrode 18 angeordnet ist. Der Bereich 17 ist mit einem nicht eingezeichneten Kontakt versehen. Auf dem Bereich 11 ist ebenfalls ein Kontakt 12 aufgebracht. Der Bereich 16 besitzt streifenförmige Verlängerungen 15, die mit Bereichen 14 desselben Leitfähigkeitstyps wie der Bereich 11 parallel verlaufen. Diese in Figur 2 dargestellte Verzahnung der Bereiche 14 und 15 bildet die Struktur des Kompensationsbauelementes. Zwischen den Bereichen 11 und 15 ist ein Zwischenbereich 30 vorhanden, der vorzugsweise die gleiche Dotierungskonzentration besitzt wie die Bereiche 14. Dieser Zwischenbereich 30 kann weggelassen sein, und die Bereiche 15 können entsprechend den strichpunktierten Linien bis an den Bereich 11 herangeführt sein. Es ist aber vorteilhaft, wenn die Bereiche 15 im Abstand zu dem entgegengesetzt dotierten Bereich 11 enden, was zu einer Erhöhung der Sperrspannung, einem weicheren Verlauf des elektrischen Feldes und einer Verbesserung der Kommutierungseigenschaften der Inversdiode führt.Conductivity type like the higher doped layer 1 doped and can also be omitted. Alternative exemplary embodiments are shown in FIGS. 2 and 3. In the schematic top view of FIG. 2, areas 11, 17 are present, each of which is doped for the first conductivity type. The region 17 is adjoined by a region 16 doped in the opposite direction, above which a gate electrode 18 is arranged. The area 17 is provided with a contact, not shown. A contact 12 is also applied to the area 11. The area 16 has strip-shaped extensions 15 which run parallel to areas 14 of the same conductivity type as the area 11. This interlocking of the areas 14 and 15 shown in FIG. 2 forms the structure of the compensation component. Between the regions 11 and 15 there is an intermediate region 30 which preferably has the same doping concentration as the regions 14. This intermediate region 30 can be omitted and the regions 15 can be brought up to the region 11 in accordance with the dash-dotted lines. However, it is advantageous if the regions 15 end at a distance from the oppositely doped region 11, which leads to an increase in the blocking voltage, a softer course of the electrical field and an improvement in the commutation properties of the inverse diode.
In Figur 3 ist im Querschnitt ein vergleichbares Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine Verschachtelung der in Stromrichtung parallel zueinander verlaufenden, für die Kompensation vorgesehenen Bereiche in vertikaler Richtung des Bauelementes vorhanden ist. Die für denselben Leitungstyp dotierten Bereiche 27 und 21 sind über die Kompensationsstruktur der Bereiche 24, 25 miteinander verbunden. Der Bereich 27 ist in einen Bereich 26 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eingebettet, der Bestandteil eines der für den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp dotierten Bereiche der Kompensationsstruktur ist. Über einem von diesem Bereich 26 gebildeten Kanal befindet sich an einer seitlichen Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 über einer dielektrischen Schicht 29 eine Gate-Elektrode 28. Der dem Bereich 11 der Figur 2 entsprechende Bereich 21 ist hier in einer V-förmigen Nut des Halbleiterkörpers 10 vorhanden, an deren Oberfläche sich der zugehörige Kontakt 22 befindet. Der Bereich 11 und Kontakt 12 in Figur 2 können grundsätzlich auch in Form eines Grabens mit V-förmigem Querschnitt, wie in Figur 3 gezeigt, ausgebildet sein. Entsprechend kann auch in dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 die Steuerung des in dem Bereich 16 ausgebildeten Kanals an einer seitlichen Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 erfolgen.In FIG. 3, a comparable exemplary embodiment is shown in cross section, in which there is a nesting of the regions, which run parallel to one another in the current direction and are provided for the compensation, in the vertical direction of the component. The regions 27 and 21 doped for the same conductivity type are connected to one another via the compensation structure of the regions 24, 25. The region 27 is embedded in a region 26 of opposite conductivity type, which is part of one of the regions of the compensation structure doped for the opposite conductivity type. Over one of this area 26 The channel formed is located on a lateral surface of the semiconductor body 10 above a dielectric layer 29, a gate electrode 28. The area 21 corresponding to the area 11 in FIG. 2 is present here in a V-shaped groove in the semiconductor body 10, on the surface of which the associated contact 22 is located. The region 11 and contact 12 in FIG. 2 can in principle also be designed in the form of a trench with a V-shaped cross section, as shown in FIG. 3. Accordingly, in the exemplary embodiment in FIG. 2, the channel formed in the region 16 can also be controlled on a lateral surface of the semiconductor body 10.
Das Ausführungsbeispiel, das in einer schrägen Aufsicht in der Figur 4 dargestellt ist, kann als Abwandlung desThe embodiment, which is shown in an oblique plan view in Figure 4, can be a modification of the
Ausführungsbeispiels der Figur 2 angesehen werden. Es sind auch hierbei die Bereiche 11, 17 vorhanden, die jeweils für den ersten Leitfähigkeitstyp dotiert sind. An den Bereich 17 schließt ein entgegengesetzt dazu dotierter Bereich 16 an, über dem eine Gate-Elektrode 18 angeordnet ist. Der Bereich 17 ist mit einem Kontakt 19 versehen, der vorzugsweise beide Bereiche 16 und 17 kontaktiert. Auf dem Bereich 11 ist ein Kontakt 12 aufgebracht. Der Bereich 16 besitzt streifenförmige Verlängerungen 15, die mit Bereichen 14 desselben Leitfähigkeitstyps wie der Bereich 11 parallel verlaufen und vorzugsweise an dem Zwischenbereich 30 enden. An dem Bereich 11 angrenzend ist auf der von der Kompensationsstruktur abgewandten Seite ein weiterer Bereich 33 vorhanden, der für denselben Leitf higkeitstyp wie der Bereich 16 dotiert ist. Dieser weitere Bereich 33 ist mit einem Kontakt 32 versehen, der vorzugsweise auch mit dem Bereich 11 elektrisch leitend verbunden ist, z. B. in der in der Figur dargestellten Weise bis in den Bereich 11 vergraben ist. Eine zweite Gate-Elektrode 39 dient der Steuerung des an der Oberfläche der Bereiche 11 und 30 ausgebildeten Kanales. Bei diesem Bauelement ist daher eine Steuerung des Stromflusses in der Gegenrichtung möglich, so daß auch der Stromfluß der Ladungsträger entgegengesetzten Vorzeichens für die Funktionsweise des Bauelementes ausgenutzt werden kann. Die Strompfade sind durch die eingezeichneten Pfeile schematisch angedeutet. Die Kontakte 19 und 32 sind mit den Bereichen 16 bzw. 11 leitend verbunden, um den für den jeweiligen Kanal vorgesehenen Oberflachenanteil des Halbleiterkorpers auf ein definiertes Potential gegenüber der Gate-Elektrode legen zu können. Der Bereich 11 muß ausreichend hoch dotiert sein, damit der Bereich 11 nicht von Ladungsträgern ausgeräumt wird und kein Source-Drain- Kurzschluß auftritt.Embodiment of Figure 2 can be viewed. The regions 11, 17 are also present here, each of which is doped for the first conductivity type. The region 17 is adjoined by a region 16 doped in the opposite direction, above which a gate electrode 18 is arranged. The area 17 is provided with a contact 19 which preferably contacts both areas 16 and 17. A contact 12 is applied to the area 11. The area 16 has strip-shaped extensions 15 which run parallel to areas 14 of the same conductivity type as the area 11 and preferably end at the intermediate area 30. Adjacent to area 11, on the side facing away from the compensation structure, there is another area 33 which is doped for the same conductivity type as area 16. This further region 33 is provided with a contact 32, which is preferably also electrically conductively connected to the region 11, e.g. B. is buried in the manner shown in the figure up to area 11. A second gate electrode 39 serves to control the channel formed on the surface of the regions 11 and 30. With this component, it is therefore possible to control the current flow in the opposite direction, so that the Current flow of the charge carrier of opposite sign can be used for the functioning of the component. The current paths are indicated schematically by the arrows. The contacts 19 and 32 are conductively connected to the regions 16 and 11 in order to be able to put the surface portion of the semiconductor body provided for the respective channel at a defined potential with respect to the gate electrode. The area 11 must be doped sufficiently high so that the area 11 is not cleared of charge carriers and no source-drain short circuit occurs.
Die oberseitige Struktur des m der Figur 1 im Querschnitt dargestellten Bauelementes kann entsprechend den im Ausschnitt im Querschnitt dargestellten Strukturen der Figuren 5 und 6 modifiziert sein. Über der Kompensationsstruktur, die durch die unterschiedlich dotierten Bereiche 44 und 45 gebildet wird, ist bei dem Beispiel der Figur 5 die Struktur eines JFET ausgebildet. Der für einen vertikal ausgerichteten Kanal vorgesehene BereichThe top structure of the component shown in cross section in FIG. 1 can be modified in accordance with the structures shown in cross section in FIGS. 5 and 6. In the example of FIG. 5, the structure of a JFET is formed above the compensation structure which is formed by the differently doped regions 44 and 45. The area intended for a vertically aligned channel
37 ist für dasselbe Vorzeichen des Leitfähigkeitstyps dotiert wie der darunter angeordnete Bereich 44. Der Bereich 37 ist rings von einem entgegengesetzt dazu dotierten Bereich 36 umgeben, der daher dasselbe Vorzeichen der Leitfähigkeit besitzt wie die seitlich an den Bereich 44 angrenzenden37 is doped for the same sign of the conductivity type as the region 44 arranged underneath. The region 37 is surrounded all around by a region 36 doped opposite thereto, which therefore has the same sign of the conductivity as that adjoining the region 44 laterally
Bereiche der Kompensationsstruktur. Die Bereiche 36 und 37 sind mit elektrischen Kontakten 48 bzw. 23 versehen, die vorzugsweise m das Halbleitermaterial vergraben sind.Areas of the compensation structure. The regions 36 and 37 are provided with electrical contacts 48 and 23, which are preferably buried in the semiconductor material.
Figur 6 zeigt eine Abwandlung der an der Oberseite des Halbleiterkorpers ausgebildeten dotierten Bereiche entsprechend dem Ausschnitt der Figur 5. Bei dem Ausfuhrungsbeispiel der Figur 6 ist m den mittleren Bereich der Kompensationsstruktur ein für dasselbe Vorzeichen der Leitfähigkeit dotierter Bereich 47, der vorzugsweise hoch dotiert ist, eingebettet. Der Bereich 47 wird ringsum von einem im Abstand zu dem Bereich 47 angeordneten Bereich 46 entgegengesetzten Vorzeichens der Leitfähigkeit umgeben. Dieser Bereich 46 grenzt an den Bereich 45 der Kompensationsstruktur an, der ebenfalls entgegengesetzt zu dem Bereich 44 dotiert ist. Die Bereiche 46 und 47 sind entsprechend der Figur 5 mit elektrischen Kontakten 48 bzw. 23 versehen.FIG. 6 shows a modification of the doped regions formed on the upper side of the semiconductor body in accordance with the detail from FIG. 5. In the exemplary embodiment in FIG. 6, the middle region of the compensation structure is a region 47 doped for the same sign of conductivity, which is preferably highly doped, embedded. The area 47 is encircled by an area 46 arranged at a distance from the area 47 opposite sign of conductivity surrounded. This area 46 borders on the area 45 of the compensation structure, which is also doped in the opposite direction to the area 44. The areas 46 and 47 are provided with electrical contacts 48 and 23, respectively, as shown in FIG.
Anhand der verschiedenen beschriebenen Ausführungsbeispiele ist erkennbar, wie ein erfindungsgemäß gestaltetes Kompensationsbauelement aufgebaut ist. Solche Bauelemente zeichnen sich durch einen sehr geringen Einschaltwiderstand und die Trennung von Elektronen und Löchern in verschiedenen Bahngebieten im Betrieb des Bauelementes aus. Aufgrund dieses Umstandes können die Vorteile von unipolaren Bauelementen ausgenutzt werden, da keine Streuung der verschiedenenThe various described exemplary embodiments show how a compensation component designed according to the invention is constructed. Such components are characterized by a very low switch-on resistance and the separation of electrons and holes in different rail areas during the operation of the component. Due to this fact, the advantages of unipolar components can be exploited, since there is no scattering of the different ones
Ladungsträger aneinander auftritt. Die für die elektrische Leitfähigkeit verantwortliche Beweglichkeit der Ladungsträger im Halbleitermaterial ist u. a. bedingt durch die Elektron- Löcher-Streuung (carrier-carrier scattering) , Phononen, Störstellen der Gitterstruktur und ionisierte Atome (durch die Dotierung eingebrachte Fremdatome, die ebenfalls Störstellen darstellen) und die jeweilige Temperaturabhängigkeit der dadurch hervorgerufenen Auswirkungen.Charge carriers occur together. The mobility of the charge carriers in the semiconductor material responsible for the electrical conductivity is u. a. due to electron-hole scattering (carrier-carrier scattering), phonons, defects in the lattice structure and ionized atoms (foreign atoms introduced by the doping, which also represent defects) and the respective temperature dependence of the effects caused thereby.
Bei herkömmlichen bipolaren Bauelementen ist die Verbesserung der Beweglichkeit der Ladungsträger zu tieferen Temperaturen hin durch den zunehmenden Einfluß der Ladungsträgerstreuung gegenüber der abnehmenden Wirkung der Phononen begrenzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen MOSFETs kann einIn conventional bipolar components, the improvement in the mobility of the charge carriers to lower temperatures is limited by the increasing influence of the charge carrier scattering compared to the decreasing effect of the phonons. In contrast to conventional MOSFETs, a
Kompensationsbauelement höher dotiert werden, so daß die Leitfähigkeit im Vergleich zu dem MOSFET höher ist und das Bauelement trotzdem eine hohe Sperrfähigkeit aufweist. In bestimmten Bereichen tiefer Temperaturen, die von dem jeweiligen Ausführungsbeispiel abhängen, ergeben sich deutlich verbesserte Leitfähigkeiten, wenn durch eine höhere Dotierung mehr Ladungsträger zur Verfügung stehen. Andererseits darf die Dotierung nicht zu hoch sein, um nicht durch die Störstellen (ionisierte Atome) , die durch die Dotierung eingebracht werden, die Verbesserung der Leitfähigkeit m dem vorgesehenen tiefen Temperaturbereich allzusehr zu vermindern und so den gewünschten positiven Effekt zu sehr abzuschwächen.Compensation component are doped higher, so that the conductivity is higher compared to the MOSFET and the component still has a high blocking capacity. In certain areas of lower temperatures, which depend on the respective exemplary embodiment, there are significantly improved conductivities if more charge carriers are available due to a higher doping. On the other hand, the doping must not be too high, so as not to reduce too much the improvement in conductivity in the intended low temperature range due to the impurities (ionized atoms) introduced by the doping, and so to weaken the desired positive effect too much.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Bauelementen nimmt bei den beschriebenen Kompensationsbauelementen der Widerstand zu tiefen Temperaturen hin deutlich ab, da dieIn contrast to conventional components, the resistance to low temperatures decreases significantly with the described compensation components, since the
Gitterschwingungen des Halbleiterkorpers vermindert werden und die Elektronen-Locher-Streuung wegen der Fuhrung der verschiedenen Ladungsträger m separaten Bahnen im wesentlichen vermieden ist. Die Beweglichkeit der Ladungsträger nimmt wegen der Reduktion des Einflusses der Phononen daher bei diesen Bauelementen mit der Kühlung deutlich zu, ohne daß der Effekt der vermehrten Ladungstragerstreuung auftritt und sich nachteilig bemerkbar macht. Das erfmdungsgemaße Bauelement bzw. ein gekühlt betriebenes Kompensationsbauelement ist daher besonders für Tieftemperaturanwendungen bei 230 K und weniger geeignet. Es eignet sich daher besonders für eine Anwendung z. B. als Schalter m Tieftemperaturvorrichtungen wie z. B. Schaltungen mit supraleitenden Komponenten, Speicherringe, Magnete u. dgl.Lattice vibrations of the semiconductor body are reduced and the electron-hole scattering is essentially avoided because of the guidance of the different charge carriers in separate tracks. Because of the reduction in the influence of the phonons, the mobility of the charge carriers increases significantly in these components with cooling, without the effect of increased charge carrier scattering occurring and having a disadvantageous effect. The component according to the invention or a compensation component operated in cooling mode is therefore particularly suitable for low-temperature applications at 230 K and less. It is therefore particularly suitable for an application such. B. as a switch m low-temperature devices such. B. circuits with superconducting components, storage rings, magnets and. like.
Aufgrund der geringen flachenbezogenen Kapazitäten wird erfmdungsgemaß außerdem ein schnelles Schalten des Bauelementes erreicht, wobei sich die Schaltgeschwmdigkeit des Einschaltvorgangs mit abnehmenden Temperaturen verbessert. Das liegt daran, daß im gesperrten Zustand des Transistors sich die Raumladungszone über die dicht benachbart zueinander angeordneten Zonen unterschiedlichen Leitungstyps, die die Kompensationsstruktur bilden, hinweg ausdehnen. Wahrend des Einschaltens des Transistors wird die Raumladung der Gebiete des Majontatsladungstragertyps über die durch den Kanal injizierten Ladungsträger neutralisiert, wahrend die Raumladung der Gebiete des entgegengesetzten Leitungstyps durch Diffusion von Ladungsträgern aus den vorzugsweise p-dotierten Bereichen 6 zu kompensieren ist. Bei tiefen Temperaturen nimmt die Diffusionskonstante dieser kT Ladungsträger über die Emstembeziehung Dn p = — μn p deutlich zu. Damit kann eine Verbesserung um mehr als den Faktor 3 bei Abkühlung von 300 K auf 100 K erreicht werden. Es kann so die Raumladung m den p-Gebieten schneller abgebaut werden; der Transistor schaltet schneller durch. Erfmdungsgemaß können die Transistoren mit Vertikal- und Lateralstruktur und als n- Kanal-Transistoren oder als p-Kanal-Transistoren ausgebildet werden.Because of the low flat capacities, a rapid switching of the component is also achieved according to the invention, the switching speed of the switching process improving with decreasing temperatures. This is due to the fact that, when the transistor is blocked, the space charge zone extends beyond the zones of different conduction types which are arranged closely adjacent to one another and form the compensation structure. When the transistor is switched on, the space charge of the areas of the majontate charge carrier type is neutralized by the charge carriers injected through the channel, while the space charge of the regions of the opposite conductivity type is to be compensated for by diffusion of charge carriers from the preferably p-doped regions 6. At low temperatures, the diffusion constant of these kT charge carriers increases significantly via the Emstem relationship D np = - μ np . This means that an improvement of more than a factor of 3 can be achieved when cooling from 300 K to 100 K. The space charge in the p-regions can thus be reduced more quickly; the transistor turns on faster. According to the invention, the transistors with vertical and lateral structure and as n-channel transistors or as p-channel transistors can be formed.
Um die genannten Vorteile im Betrieb bei tiefen Temperaturen zu realisieren, werden die Bauelemente der beschriebenenIn order to realize the advantages mentioned in operation at low temperatures, the components are described
Struktur vorzugsweise mit geeigneten Gehäusen versehen, mit denen eine effiziente Kühlung unterhalb 250 K möglich ist. Die Bauelemente der Figuren 1 bis 3 werden vorzugsweise unterhalb 150 K, besser noch unterhalb 120 K gekühlt. Die Doppel-Gate-Strukturen entsprechend dem m Figur 4 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel zeigen ihre besonderen Vorteile bei einer Kühlung unter 100 K, vorzugsweise unter 80 K, was z. B. m bevorzugter Form mittels flussigen Stickstoffs geschehen kann. Mit flüssigem Stickstoff kann insbesondere eine sehr vorteilhafte Energiebilanz mit dem erfmdungsgemaßen Bauelement erreicht werden.Structure preferably provided with suitable housings with which efficient cooling below 250 K is possible. The components in FIGS. 1 to 3 are preferably cooled below 150 K, better still below 120 K. The double gate structures corresponding to the exemplary embodiment shown in FIG. 4 show their particular advantages with cooling below 100 K, preferably below 80 K, which, for. B. can be done in the preferred form by means of liquid nitrogen. A particularly advantageous energy balance can be achieved with the component according to the invention with liquid nitrogen.
Versuche haben ergeben, daß bei Kompensationsbauelementen als Leistungs-MOSFETs sowohl die statische Verlustleistung als auch die dynamische Verlustleistung mit abnehmenderExperiments have shown that in the case of compensation components as power MOSFETs, both the static power loss and the dynamic power loss decrease with decreasing
Temperatur stark absinken, wahrend die Durchbruchsspannung der Bauelemente sich nur geringfügig verringert. Durch die Kühlung des Bauelementes wird die dynamische Verlustleistung starker vermindert als die statische Verlustleistung. Daher wird die Verlustbilanz mit höheren Betriebsfrequenzen gunstiger. Mit den erfmdungsgemaßen Bauelementen mit aktiver Tieftemperaturkühlung ist es daher möglich, die Leistungshalbleiterbauelemente bei wesentlich höheren Frequenzen bei günstiger Verlustleistungsbilanz zu betreiben. Da mit den erfindungsgemäßen Bauelementen auch bei Temperaturen zwischen 230 und 250 K dieThe temperature drops sharply, while the breakdown voltage of the components decreases only slightly. The cooling of the component reduces the dynamic power loss more than the static power loss. Therefore, the loss balance becomes cheaper with higher operating frequencies. With the components according to the invention with active Cryogenic cooling is therefore possible to operate the power semiconductor components at much higher frequencies with a favorable power loss balance. Since with the components according to the invention even at temperatures between 230 and 250 K.
Verlustleistungsbilanz schon gegenüber einem nicht gekühlten Betrieb deutlich reduziert ist, läßt sich erfindungsgemäß mit einem relativ geringen Kühlungsaufwand bereits ein effizienter Leistungsumrichter oder ähnlicher Leistungsschalter realisieren. Power loss balance is already significantly reduced compared to a non-cooled operation, according to the invention an efficient power converter or similar circuit breaker can be implemented with a relatively low cooling effort.

Claims

Patentansprüche claims
1. Halbleiterbauelement mit einem einen sperrenden pn-Über- gang aufweisenden Halbleiterkörper (10) , bei dem ein erster Bereich (7; 17; 27; 37; 47) eines ersten Leitungstyps, ein zweiter Bereich (6; 16; 26; 36; 46) eines entgegengesetzten zweiten Leitungstyps und ein dritter Bereich (1; 11; 21; 31) des ersten Leitungstyps vorhanden sind, bei dem der zweite Bereich den ersten Bereich begrenzt oder umgibt und bei dem der erste Bereich mit einem ersten Kontakt (20; 23) versehen ist und der dritte Bereich mit einem zweiten Kontakt (2; 12; 22; 32) versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß zwischen dem zweiten Bereich (6; 16; 26; 36; 46) und dem dritten Bereich (1; 11; 21; 31) ein weiterer Bereich vorhanden ist, in dem mindestens zwei Bereiche (4, 5; 14, 15; 24, 25; 34, 35; 44, 45) unterschiedlichen Leitungstyps vorhanden sind, die quer zu einer für einen Stromfluß vorgesehenen Richtung aneinander angrenzen, und Mittel vorgesehen sind, mit denen das Bauelement im Betrieb auf einer Temperatur unterhalb 250 K gehalten werden kann.1. A semiconductor component with a semiconductor body (10) having a blocking pn junction, in which a first region (7; 17; 27; 37; 47) of a first conductivity type, a second region (6; 16; 26; 36; 46) of an opposite second conduction type and a third region (1; 11; 21; 31) of the first conduction type, in which the second region delimits or surrounds the first region and in which the first region has a first contact (20; 23 ) and the third area is provided with a second contact (2; 12; 22; 32), characterized in that between the second area (6; 16; 26; 36; 46) and the third area (1; 11 ; 21; 31) there is another area in which there are at least two areas (4, 5; 14, 15; 24, 25; 34, 35; 44, 45) of different conduction types, which are transverse to one intended for current flow Adjacent direction, and means are provided with which the component in Operation can be kept at a temperature below 250 K.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem Mittel vorgesehen sind, mit denen das Bauelement im Betrieb auf einer Temperatur unterhalb 150 K gehalten werden kann.2. The semiconductor component according to claim 1, in which means are provided with which the component can be kept at a temperature below 150 K during operation.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem Mittel vorgesehen sind, mit denen das Bauelement im Betrieb auf einer Temperatur unterhalb 120 K gehalten werden kann.3. The semiconductor component according to claim 1, in which means are provided with which the component can be kept at a temperature below 120 K during operation.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Bereich (7) in den zweiten Bereich (6) eingebettet ist, bei dem der erste Bereich mit einem ersten Kontakt (20) versehen ist, bei dem dem zweiten Bereich eine Gate-Elektrode (8) so zugeordnet ist, daß ein in dem zweiten Bereich ausgebildeter Kanal mittels dieser Gate-Elektrode gesteuert werden kann, bei dem der dritte Bereich (31) in Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eingebettet und mit einem zweiten Kontakt (32) versehen ist, bei dem eine weitere Gate-Elektrode (18) vorhanden ist, die so angeordnet ist, daß damit ein Kanal gesteuert werden kann, der an den dritten Bereich angrenzend in dem4. The semiconductor component as claimed in claim 1, in which the first region (7) is embedded in the second region (6), in which the first region is provided with a first contact (20) in which a gate electrode (8) is assigned to the second region such that a channel formed in the second region can be controlled by means of this gate electrode, in which the third region (31) is embedded in semiconductor material of opposite conductivity type and is provided with a second contact (32), in which there is a further gate electrode (18) which is arranged in such a way that a channel can be controlled thereby the third area adjacent to the
Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, und bei dem Mittel vorgesehen sind, mit denen das Bauelement im Betrieb auf einer Temperatur unterhalb 100 K gehalten werden kann.Semiconductor material of opposite conductivity type is formed, and in which means are provided with which the component can be kept at a temperature below 100 K during operation.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Mittel vorgesehen sind, mit denen das Bauelement im Betrieb auf einer Temperatur unterhalb 80 K gehalten werden kann .5. Semiconductor component according to one of claims 1 to 4, in which means are provided with which the component can be kept at a temperature below 80 K during operation.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem die Mittel zur Kühlung eine Vorrichtung zum Umspülen des Bauelementes mit flüssigem Stickstoff umfassen.6. The semiconductor component according to claim 5, wherein the cooling means comprise a device for rinsing the component with liquid nitrogen.
7. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes, bei dem das Bauelement mit Mitteln zur Kühlung versehen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Temperatur des Bauelementes unterhalb 250 K gehalten wird.7. Method for operating a semiconductor component in which the component is provided with cooling means, because the temperature of the component is kept below 250 K.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Temperatur des Bauelementes unterhalb 150 K gehalten wird. 8. The method according to claim 7, characterized in that ß the temperature of the component is kept below 150 K.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Temperatur des Bauelementes unterhalb 100 K gehalten wird.9. The method of claim 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the temperature of the component is kept below 100 K.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß das Bauelement mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird.10. The method according to claim 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the component is cooled with liquid nitrogen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem ein Kompensationshalbleiterbauelement eingesetzt wird.11. The method according to any one of claims 7 to 10, in which a compensation semiconductor component is used.
12. Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines nach einem der Verfahren der Ansprüche 7 bis 10 betriebenen Halbleiterbauelementes als Schalter für Anwendungen im Temperaturbereich unterhalb 230 K.12. Use of a semiconductor component according to one of claims 1 to 6 or of a semiconductor component operated according to one of the methods of claims 7 to 10 as a switch for applications in the temperature range below 230 K.
13. Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 12, bei der sich die Anwendung auf gekühlte technische13. Use of a semiconductor device according to claim 12, in which the application relates to cooled technical
Einrichtungen, die die Supraleitung ausnutzen, erstreckt.Facilities that exploit superconductivity extends.
14. Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 13, bei der die technische Einrichtung ein Speicherring ist. 14. Use of a semiconductor component according to claim 13, in which the technical device is a storage ring.
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