Bei derartigen, häufig als Freilaufdioden eingesetzten, Hochvoltdioden ist ein weiches Abschaltverhalten gewünscht, damit das sogenannte"Abreißen"des Bauelements während des Abschaltvorgangs vermieden wird, da dieser Effekt eine Zer- störung des Leistungshalbleiters mit sich bringen kann. Das Abreißen des Bauelements wird bis heute entweder durch eine ausreichend groß gewählte Dicke des Bauelements und/oder durch eine anodenseitige lokale Lebensdauereinstellung ver- mieden.

Die beiliegende Fig. 1 zeigt schematisch die Struktur der bekannten Hochvoltdiode in Form eines mittigen Querschnitts.

Eine derartige Hochvoltdiode besteht aus einem Siliziumkör- per. Anstelle von Silizium kann auch ein anderes geeignetes Halbleitermaterial, wie z. B. SiC usw. gewählt werden. Der Siliziumkörper weist eine n--leitende Driftzone 1, eine p- leitende Zone 2, die mit der n-leitenden Driftzone einen pn- Übergang 3 bildet, einen p+-leitenden Anodenemitter 4, eine n-leitende Zone 5 und einen darin ausgebildeten n+-leitenden Kathodenemitter 6 auf. Auf der Vorderseite V ist der Anoden- emitter 4 mit einer Anodenmetallisierung 7 versehen. Auf der Rückseite R des Bauelements ist der Kathodenemitter 6 mit einer Kathodenmetallisierung 8 versehen. Für diese Metalli- sierungen können bekannte Kontaktwerkstoffe wie z. B. Alumi- nium, AlSi usw. gewählt werden. Es ist zu erwähnen, dass die Abmessungen der in Fig. 1 gezeigten bekannten Hochvoltdiode lediglich zur Erläuterung dienen nicht die echten Verhält- nisse wiedergeben.

Bislang ist man zur Optimierung des Abschaltverhaltens einer Hochvoltdiode so vorgegangen, dass man ausschließlich die Ladungsträgerlebensdauer im p+-leitenden Anodenemitter abge- senkt hat. Fig. 2 stellt eine Simulation der sich dabei er- gebenden Verhältnisse der Dotierungskonzentration (Kurve A) und der Defektkonzentration (Kurve B) einer derart beein- flussten Hochvoltdiode dar und zwar über die Tiefe y von der Vorderseite V hier wobei y mit der Oberseite des p+-Anoden- emitters beginnt. Fig. 2 zeigt, dass das im p+-Anodenemitter etwa in einer Tiefe y zwischen 15 und 18 um von dessen Ober- seite eine starke lokale Erhöhung der Defektkonzentration (Kurve B) auftritt, was dort lokal die Ladungsträgerlebens- dauer (T) reduziert.

Bei derartigen Hochvoltdioden muss immer ein Kompromiss zwi- schen dem"Soft-Recovery-Verhalten"des Bauelementes, den Schaltverlusten und dem Durchlassspannungsabfall bzw. der Durchlassverluste gefunden werden. Dieser Forderung trägt das anhand der Fig. 2 erläuterte bekannte Verfahren zur Op- timierung des Abschaltverfahrens nicht Rechnung, da es zwar ein weiches Abschaltverhalten erzielt, dieses jedoch mit ei- nem höheren Durchlassspannungsabfall bzw. einer erhöhten Durchlassverlustleistung erkauft.

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, eine gattungsgemäße Hoch- voltdiode so zu optimieren, dass sie einerseits eine mög- lichst geringe Bauelementdicke hat, um die im Betrieb auf- tretenden Leistungsverluste so gering wie möglich zu halten und dass sie andererseits beim Abschalten ein weiches"Soft- Recovery"-Verhalten aufweist, so dass das Abreißen des Bau- elements und die Gefahr seiner Zerstörung vermieden sind.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Die Erfindung schlägt vor, anstatt einer Absenkung der La- dungsträgerlebensdauer von der p+-Anodenemitterseite entweder nur eine rückseitige Absenkung vom n+-Kathodenemitter oder

eine zweiseitige Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer, das heißt vom p+-Anodenemitter und vom n+-Kathodenemitter vorzu- nehmen.

Dadurch wird ein Soft-Recovery-Verhalten der Hochvoltdiode ermöglicht, ohne die Durchlassverluste unerwünscht zu erhö- hen.

Dabei wird so vorgegangen, dass bei einem stark dotierten Anodenemitter die Ladungsträgerlebensdauer darin lokal rela- tiv stark abgesenkt wird, während bei einem schwach dotier- ten Anodenemitter die Ladungsträgerlebensdauer T darin lokal schwach oder gar nicht abgesenkt wird. Die von der Ladungs- trägerlebensdauerabsenkung unbeeinflussten Gebiete sollen im Allgemeinen eine hohe Ladungsträgerlebensdauer aufweisen.

Bevorzugt erfolgt die Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer T durch eine Bestrahlung mit einer bestimmten Dosis und bis in eine bestimmte Tiefe des Kathodenemitters oder des Katho- denemitters und des Anodenemitters gegen Ende der Waferpro- zessierung bei einer relativ niedrigen Temperatur. Die Be- strahlung wird mit leichten Ionen, bevorzugt mit Heliumionen (a-Strahlen) ausgeführt.

Die nachstehende Beschreibung beschreibt Bezug nehmend auf die Zeichnung zwei alternative Ausführungsformen der erfin- dungsgemäßen Hochvoltdiode und des zur Optimierung ihres Ab- schaltverhaltens eingesetzten Verfahrens. Die Zeichnungsfi- guren zeigen im Einzelnen : Fig. 1 im Querschnitt die bereits besprochene Struktur einer bekannten Hochvoltdiode ; Fig. 2 graphisch Simulationskurven zur Erläuterung der bereits besprochenen Vorgehensweise zur lokalen Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer T aus- schließlich von der Seite des p+-Anodenemitters ;

Fig. 3 graphisch Simulationskurven der Ergebnisse eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä- ßen Hochvoltdiode, wenn die Ladungsträgerlebens- dauer T von beiden Seiten der Hochvoltdiode abge- senkt ist ; Fig. 4 eine Simulation des Dotierungs-und Defektkon- zentrationsverlaufs bei einem zweiten Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Ladung- trägerlebensdauer ausschließlich vom rückseitigen Kathodenemitter abgesenkt ist ; Fig. 5 graphisch Stromverläufe, d. h. die Stromdichte beim Abschalten einer Hochvoltdiode, deren La- dungsträgerlebensdauer jeweils mit einem Verfah- ren gemäß den Fig. 2,3 und 4 abgesenkt worden ist ; Fig. 6 graphisch Spannungsverläufe beim Abschalten einer Hochvoltdiode, deren Ladungsträgerlebensdauer je- weils mit einem Verfahren gemäß den Fig. 2,3 und 4 abgesenkt worden ist und Fig. 7 graphisch die Abschaltverlustarbeit einer Hoch- voltdiode bei der mit den zuvor in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Verfahren die Ladungsträgerlebensdau- er abgesenkt worden ist.

Der nachfolgenden Beschreibung liegt beispielhaft die in Fig. 1 gezeigte und bereits besprochene Struktur einer Hoch- voltdiode zugrunde. Die in Fig. 1 gezeigten Abmessungen, insbesondere die Dicken der jeweiligen Zonen und Bereiche sind nicht maßstäblich und dienen nur der Erläuterung.

Fig. 3 zeigt graphisch mit der ausgezogenen Kurve A Simula- tionsergebnisse des Dotierungskonzentrationsverlaufs und mit den gestrichelt gezeichneten Kurven Bl und B2 des Defektkon- zentrationsverlaufs einer erfindungsgemäßen Hochvoltdiode.

Es ist deutlich, dass bei dieser Absenkung der Ladungsträ- gerlebensdauer T von beiden Seiten, d. h. von der Vorderseite V, das heißt die von der Oberseite des p+-Anodenemitters 4 und von der Rückseite R, das heißt von der Oberseite des n+- Kathodenemitters 6 jeweils in einer Tiefe zwischen etwa 15 und 18 um von der Vorderseite V und zwischen etwa 70 und 80 um von der Vorderseite V lokal eine starke Erhöhung der De- fektkonzentration erzielt ist.

Durch die lokale und gezielte Absenkung der Ladungsträgerle- bensdauer T von der p+-Anodenemitterseite (Kurve B1) wird die Höhe der Rückstromspitze eingestellt (vgl. Fig. 5). Die Ab- senkung der Ladungsträgerlebensdauer von der n+-Kathoden- emitterseite wird eingesetzt, um den Abbau der Ladungsträger beim Ausräumen der Driftzone 1 zu kontrollieren.

Die in Fig. 3 veranschaulichte Kombination beider Maßnahmen zur Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer T macht es mög- lich, einerseits eine geringe Rückstromspitze zu erreichen und andererseits ein weiches Abschalten des Bauelementes zu gewährleisten (vgl. Fig. 5, Kurve III). Dies bewirkt eine geringere induzierte Spannung, die aufgrund der parasitären Induktivität entsteht (vgl. Fig. 6, Kurve III).

Fig. 4 veranschaulicht anhand von Simulationsergebnissen die Dotierungs-und Defektkonzentrationsverläufe (Kurven A und B2) bei ausschließlich n+-kathodenemitterseitiger Bestrahlung und damit die zweite erfindungsgemäß vorgeschlagene Maßnah- me, um das Soft-Recovery-Verhalten des Bauelements zu ermög- lichen, ohne dabei die Durchlass-und Schaltverluste zu er- höhen. Dieses vorgeschlagene Verfahren besteht darin, die Lebensdauer der Ladungsträger lokal anstatt von der p+- Anodenemitterseite (vgl. Fig. 2) nur von der n+- Kathodenemitterseite vorzunehmen. Durch die Reichweite der Bestrahlung und/oder die Wahl der Dosis lässt sich das ge- wünschte Soft-Recovery-Verhalten der Hochvoltdiode einstel- len.

Fig. 5 zeigt graphisch eine Simulation der Verläufe der Stromdichte Jpin über der Zeit t beim Abschalten der Hoch- voltdiode mit den zuvor beschriebenen unterschiedlichen Be- strahlungstechniken, und zwar die Kurve II das bereits an- hand der Fig. 2 erläuterte bekannte Verfahren, bei dem le- diglich von der Seite des p+-Anodenemitters 4 die Ladungsträ- gerlebensdauer abgesenkt wird, die Kurve III die erste Al- ternative des erfindungsgemäßen Verfahrens, die anhand der Fig. 3 erläutert worden ist, bei der die Ladungsträgerle- bensdauer von beiden Seiten, d. h. von Seiten des p+- Anodenemitters und von Seiten des n+-Kathodenemitters abge- senkt wird und die Kurve IV schließlich die zweite anhand der Fig. 4 beschriebene Alternative, bei der die Ladungsträ- gerlebensdauer T lediglich von der n+-Kathodenemitterseite abgesenkt wird.

Die Fig. 6 gibt mit den Kurven II, III und IV Simulationser- gebnisse der Spannungsverläufe beim Abschalten der Hochvolt- diode mit den zwei erfindungsgemäßen Bestrahlungstechniken (Kurven III und IV) im Vergleich mit der bekannten Bestrah- lung zur Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer T lediglich von der Seite des p+-Anodenemitters (Kurve II) wieder.

Fig. 7 schließlich zeigt einen Vergleich der drei Verfah- rensweisen, d. h. der beiden erfindungsgemäß vorgeschlagenen und der im Stand der Technik üblichen Verfahrensweise anhand der Abschaltverlustarbeit Woff der Hochvoltdiode. Der mit II bezeichnete quadratische Punkt gibt die Abschaltverlustar- beit einer gemäß dem Stand der Technik behandelten Hochvolt- diode an. Die mit III und IV bezeichneten Punkte geben die Abschaltverlustarbeit Woff einer mit den beiden alternativen Verfahrensweisen gemäß der Erfindung hinsichtlich der La- dungsträgerlebensdauer behandelten Hochvoltdiode an. Der in den Fig. 5 bis 7 veranschaulichte Vergleich der bekannten und der beiden erfindungsgemäßen Verfahrensweise zeigt, dass das beste Ergebnis zwischen dem Soft-Recovery-Verhalten, dem Durchlassspannungsabfall und der Abschaltverlustarbeit durch die rückseitige Bestrahlung zu erzielen ist (Fig. 4 und Fig.

5 bis 7, Kurven IV). Die geringste Rückstrom-und Spannungs- spitze lässt sich durch die beidseitige Einstellung der La- dungsträgerlebensdauer T erzielen (Fig. 3 und Fig. 5-7, Kurven III).

Die anzuzielende Stärke der lokalen Lebensdauerabsenkung auf der p+-Anodenemitterseite ergibt sich aus dem Dotierungspro- fil dieses p+-Anodenemitters ; das heißt, im Falle eines star- ken, hochdotierten Anodenemitters ist eine relativ starke lokale Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer wünschenswert.

Im Falle eines schwach dotierten p+-Anodenemitters ist im Ex- tremfall auf der Seite des p+-Anodenemitters überhaupt keine lokale Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer T erforderlich, da nur relativ wenige freie Ladungsträger von diesem Emitter injiziert werden.

Entscheidend für die Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer auf der Seite des n-Kathodenemitters ist, dass sie im Feldstopp und einem deutlichen gewissen Abstand vom n+- Kathodenemitter erfolgt. Das Siliziumvolumen zwischen der Position der Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer T und dem n+-Kathodenemitter speichert die Überschwemmungsladung, die zum Soft-Recovery-Verhalten der Hochvoltdiode führt. Damit ist der Unterschied zu beispielsweise PT/IGBT-Strukturen be- gründet, wo die Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer T mög- lichst knapp vor dem Rückseitenemitter liegen soll, um eine möglichst geringe Speicher-und Überschwemmungsladung zu er- zielen.

Generell liefert eine so genannte Kleinmanndiode, das ist eine Diode mit waagrechtem konstantem Ladungsträgerprofil im Durchlassfall den günstigsten Trade-Off zwischen Durchlass- verhalten und den gesamten diodeninduzierten Schaltverlus- ten. Die Kleinmanndiodenstruktur hat aber ein sehr ruppiges Schaltverhalten. Der Stromabriss ist, wie erwähnt, in vielen Applikationen unerwünscht, weil die hohe Überspannung an Streuinduktivitäten durch das hohe di/dt zur Zerstörung der

Bauelemente oder zumindest zu ungünstigem EMV-Verhalten füh- ren kann.

Durch die Erfindung ist es möglich, die Schaltverluste ge- zielt zu Gunsten eines sanfteren Schaltverhaltens zu erhö- hen. Die maßvollste Erhöhung der Schaltverluste erreicht man, indem in der Feldstoppzone etwa an oder kurz vor der Stelle, die das elektrische Feld bei maximaler Zwischen- kreisspannung erreicht, eine lokale Absenkung der Ladungs- trägerlebensdauer T eingeführt wird. Der Rückseitenemitter, d. h. der n+-Kathodenemitter, ist gezielt stärker ausgeführt als bei einer Kleinmanndiode. Die Dotierung der Feldstoppzo- ne selbst ist vergleichsweise niedrig ausgeführt und liegt deutlich unter 1016/cm3. Die gesamte Feldstoppdosis liegt et- wa bei der Durchbruchladung oder etwas darüber. Somit greift das elektrische Feld weit in die Feldstoppzone, und der Auf- bau der Raumladungszone und damit der Spannungsanstieg am Chip wird über das Ausräumen der Überschwemmungsladung ge- bremst. Es ist möglich, hier den Feldstopp niedrig dotiert auszuführen, weil er nicht wie in anderen Fällen als"Emit- terbremse"fungieren muss. Der n+-Kathodenemitter wird über andere Techniken, wie zum Beispiel die Wahl der Implantati- onsdosis gezielt eingestellt.

Für die anhand der Fig. 2 beschriebene Absenkung der La- dungsträgerlebensdauer T nur von der Vorderseite, d. h. von der Seite des p+-Anodenemitters 4 her werden die günstigsten Schalteigenschaften der Hochvoltdioden in unmittelbarer Nähe des pn-Übergangs an der Anode erreicht. Ist der Wirkungsgrad des p+-Anodenemitters 4 dann einmal reduziert, sei es durch geringe Implantationsdosen oder durch das lokale Absenken der Ladungsträgerlebensdauer, erreicht man ein sanftes Ab- schalten mit einer reduzierten Gesamtdicke der n-dotierten Basis und mit den oben erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ver- fahrensweisen. Eine weitere Möglichkeit stellt die Kombina- tion der Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer T mit der Feldstopp-Diffusion, d. h. eine räumlich stärker ausgedehnte

und dafür maßvollere Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer T dar.

Die erfindungsgemäßen Verfahrensweisen zur Absenkung der La- dungsträgerlebensdauer T (beidseitig oder ausschließlich n+- kathodenemitterseitig) bieten die Möglichkeit, Dioden an verschiedene Kundenwünsche anzupassen (weich-oder hartab- schaltend, Rückstromspitze, Schaltverluste), ohne dabei in die Herstellungstechnologie einzugreifen. Dies ermöglicht eine große Flexibilität bei der Realisierung von Hochvoltdi- oden.

Bezugszeichenliste 1 n--leitende Driftzone 2 p-leitende Zone 3 pn-Übergang 4 p+-Anodenemitter 5 n-leitende Zone 6 n+-leitender Kathodenemitter 7,8 anodenemitter-und kathodenemitterseitige Me- tallisierung A Dotierungskonzentrationsverlauf B, B1, B2 Defektkonzentrationsverlauf V Vorderseite R Rückseite y Tiefenabmessung t Zeit Jpin Stromdichte durch die pn-Diode Upin Spannungsverlauf beim Abschalten der Diode II, III, IV Strom-und Spannungsverläufe sowie Werte der Abschaltverlustarbeit beim Abschalten einer Hochvoltdiode