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Leistungshalbleiter mit verbesserten Abschalteigenschaften

IP.com Disclosure Number: IPCOM000019010D
Original Publication Date: 2003-Sep-25
Included in the Prior Art Database: 2003-Sep-25
Document File: 2 page(s) / 90K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Unter bestimmten Schaltbedingungen tritt bei p+n-n+-Dioden waehrend des Abschaltvorganges der unerwuenschte Effekt auf, dass der Diodenstrom am Ende des Abschaltvorganges sehr schnell abnimmt und damit an Streuinduktivitaeten Ueberspannungen hervorruft. Die Ursache liegt in der Verteilung der Ueberschussladungstraeger im Bauelement. Waehrend des Abschaltvorganges breitet sich zum einen eine hochohmige Raumladungszone am p+n--Uebergang aus, zum andern verschmaelert sich die Plasmaschicht, die eine hohe Anzahl an Ladungstraegern aufweist, und reicht kathodenseitig u.U. nicht bis an den n+-Emitter heran, sondern wird durch einen Bereich niedriger Ladungstraegerkonzentration vom n+-Emitter getrennt, so dass der Strom foermlich abreisst. Abhilfe dabei kann eine vergrabene n-Schicht leisten, die beim Abschalten Ladungstraeger bereitstellt. Bei Ausbreitung der Raumladungszone bis zur vergrabenen n-Schicht stellt diese Ladungstraeger zur Verfuegung und verlangsamt das Abnehmen des Stromes. Dieses Verhalten kann durch eine lateral homogene vergrabene n-Schicht deutlich verbessert (Abb. 1a) und durch unterbrochene und damit inselfoermige vergrabene n-Bereiche nochmals verbessert (Abb. 1b) werden, da (bei letzterer Moeglichkeit) sich Bereiche bilden, die das Abfliessen eines Loecherstromes zulassen. Diese Wirkung haengt von der Dotierungskonzentration in den Buffer- (dt.: Puffer) Schichten und von dem Abstand dFS (vergrabene Zone - Emitterzone) ab. Der optimale Abstand dFS,0 betraegt je nach Spannungsklasse zwischen einigen wenigen μm und mehr als 100μm bei hochsperrenden Dioden (Vbr>10kV). Die Herstellung solcher Feldstoppzonen mit Hilfe von maskierter Protonenbestrahlung bedingt aufwendige und kostenintensive Masken. Bei der hier vorgeschlagenen Methode wird eine lateral strukturierte Feldstoppzone nach Anordnung in Abbildung 2 mittels einer deutlich vereinfachten Maskentechnik in das Bauelement dotiert. Die Anordnung besteht aus einer unterbrochenen Feldstoppzone in einer bestimmten Tiefe und einer zweiten, der Unterbrechung analogen Feldstoppzone in einer bzgl. der ersten abweichenden Tiefe. Die dadurch gebildeten inselfoermigen Felstoppbereiche rufen beim Abschaltvorgang zwar eine etwas groessere Stromsteilheit (Abb. 3) als mit optimalem Abstand dFS,0 (Abb. 1b), jedoch eine deutliche Reduzierung zur maximalen Stromsteilheit (Abb. 3) hervor. Je nach Spannungsklasse liegt der vertikale Abstand der Feldstoppzonen im Bereich weniger μm bis zu mehreren 10μm. Die Maskierung zur Herstellung so angeordneter Feldstoppzonen mittels Protonenbestrahlung laesst sich relativ einfach realisieren. Als Maskenmaterial kann fuer geringe vertikale Abstaende z.B. eine Oxidschicht oder ein strukturierter Photolack, fuer groessere Abstaende aufgedampftes und in weiteren Prozesstechniken strukturiertes Metall verwendet werden. Im Allgemeinen erfolgt die Maskierung und Bestrahlung von der Seite des Emitters aus (Abb. 4), kann jedoch bei duennen Bauelementen auch von der anderen Seite erfolgen, womit im Bereich zwischen Feldstoppzone und n+-Emitter die volle Lebensdauer der Ladungstraeger erhalten wird und eine Rueckseitenphototechnik entfallen kann.

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© SIEMENS AG 2003 file: ifx_2003J52156.doc page: 1

Leistungshalbleiter mit verbesserten Abschalteigenschaften

Idea: Dr. Hans-Joachim Schulze, DE-Muenchen; Dr. Franz-Josef Niedernostheide, DE-Muenchen

Unter bestimmten Schaltbedingungen tritt bei p+n-n+-Dioden waehrend des Abschaltvorganges der unerwuenschte Effekt auf, dass der Diodenstrom am Ende des Abschaltvorganges sehr schnell abnimmt und damit an Streuinduktivitaeten Ueberspannungen hervorruft. Die Ursache liegt in der Verteilung der Ueberschussladungstraeger im Bauelement. Waehrend des Abschaltvorganges breitet sich zum einen eine hochohmige Raumladungszone am p+n--Uebergang aus, zum andern verschmaelert sich die Plasmaschicht, die eine hohe Anzahl an Ladungstraegern aufweist, und reicht kathodenseitig u.U. nicht bis an den n+-Emitter heran, sondern wird durch einen Bereich niedriger Ladungstraegerkonzentration vom n+-Emitter getrennt, so dass der Strom foermlich abreisst. Abhilfe dabei kann eine vergrabene n-Schicht leisten, die beim Abschalten Ladungstraeger bereitstellt. Bei Ausbreitung der Raumladungszone bis zur vergrabenen n-Schicht stellt diese Ladungstraeger zur Verfuegung und verlangsamt das Abnehmen des Stromes. Dieses Verhalten kann durch eine lateral homogene vergrabene n-Schicht deutlich verbessert (Abb. 1a) und durch unterbrochene und damit inselfoermige vergrabene n-Bereiche nochmals verbessert (Abb. 1b) werden, da (bei letzterer Moeglichkeit) sich Bereiche bilden, die das Abfliessen eines Loecherstromes zulassen. Diese Wirkung haengt von der Dotierungskonzentration in den Buffer- (dt.: Puffer) Schichten und von dem Abstand dFS (vergrabene Zone - Emitterzone) ab. Der optimale Abstand dFS,0 betraegt je nach Spannungsklasse zwischen einigen wenigen µm und mehr als 100µm bei hochsperrenden Dioden (Vbr>10kV). Die Herstellung solcher Feldstoppzonen mit Hilfe von maskierter Protonenbestrahlung bedingt aufwendige und kostenintensive Masken.

Bei der hier vorgeschlagenen Methode wird eine lateral strukturierte Feldstoppzone nach Anordnung in Abbildung 2 mittels einer deutlich vereinfachten Maskentechnik in das Bauelement dotiert. Die Anordnung besteht aus einer unterbrochenen Feldstoppzone in einer bestimmten Tiefe und einer zweiten, der Unterbrechung analogen Feldstoppzone in einer bzgl. der ersten abweichenden Tiefe. Die dadurch gebildeten inselfoermigen Felstoppberei...