PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10161139B4 15.07.2004
Titel Halbleiteraufbau mit Schottky-Diode für Rückwärtsbetrieb
Anmelder SiCED Electronics Development GmbH & Co. KG, 91052 Erlangen, DE
Erfinder Friedrichs, Peter, Dr., 90475 Nürnberg, DE;
Mitlehner, Heinz, Dr., 91080 Uttenreuth, DE
Vertreter Berg, P., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 80339 München
DE-Anmeldedatum 12.12.2001
DE-Aktenzeichen 10161139
Offenlegungstag 03.07.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.07.2004
IPC-Hauptklasse H01L 29/80

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen zum Steuern und Schalten eines Stroms bestimmten Halbleiteraufbau, der mindestens ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitungstyps, einen zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode zumindest teilweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets verlaufenden ersten Strompfad, eine zumindest teilweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets angeordnete Verarmungszone, die zur Stromsteuerung mittels einer an einer Steuerelektrode anstehenden Steuerspannung beeinflussbar ist, und ein mittels der Steuerelektrode kontaktiertes und innerhalb des ersten Halbleitergebiets zumindest teilweise vergrabenes Inselgebiet eines zweiten gegenüber dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps umfasst. Ein solcher Halbleiteraufbau ist aus der DE 198 33 214 C1 bekannt.

Zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers mit einem elektrischen Nennstrom wird der Verbraucher. üblicherweise über ein Schaltgerät an ein elektrisches Versorgungsnetz geschaltet. Beim Einschaltvorgang und auch im Falle eines Kurzschlusses kann ein Überstrom auftreten, der deutlich über dem Nennstrom liegt. Zum Schutz des elektrischen Verbrauchers muss das zwischen dem Verbraucher und dem elektrischen Netz geschaltete Schaltgerät diesen Überstrom begrenzen und auch abschalten können. Weiterhin gibt es beispielsweise in der Umrichtertechnik Anwendungen, bei denen der Verbraucher im Falle einer in Sperrrichtung anliegenden Spannung auch sicher vom Versorgungsnetz getrennt werden soll. Für die beschriebenen Funktionen sind strombegrenzende Schalter in Form eines Halbleiteraufbaus bekannt.

So wird in der DE 198 33 214 C1 und auch in der WO 00/16403 A1 jeweils ein Halbleiteraufbau beschrieben, bei dem ein zwischen einer Anoden- und Kathodenelektrode auf einem Strompfad durch den Halbleiteraufbau fließender Strom gesteuert wird. Insbesondere kann der Strom ein- und ausgeschaltet oder auf einen maximalen Wert begrenzt werden. Der aktive Teil des Halbleiteraufbaus besteht aus einem ersten Halbleitergebiet eines vorgegebenen Leitungstyps, insbesondere des n-Leitungstyps. Der Leitungstyp wird bestimmt durch den Typ der Ladungsträger, mit denen das Halbleitergebiet dotiert ist. Zur Stromsteuerung und -beeinflussung ist innerhalb des ersten Halbleitergebiets mindestens ein im Strompfad angeordnetes laterales Kanalgebiet vorgesehen. Unter lateral oder auch horizontal wird hierbei eine Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche des ersten Halbleitergebiets verstanden. Vertikal wird dagegen eine senkrecht zur Hauptoberfläche verlaufende Richtung bezeichnet. Das laterale Kanalgebiet wird durch mindestens einen p-n-Übergang, insbesondere durch die Verarmungszone (Zone mit Verarmung an Ladungsträgern und damit hohem elektrischen Widerstand; Raumladungszone) dieses p-n-Übergangs, in vertikaler Richtung begrenzt. Die vertikale Ausdehnung dieser Verarmungszone kann unter anderem durch eine Steuerspannung eingestellt werden. Der p-n-Übergang ist zwischen dem ersten Halbleitergebiet und einem vergrabenen p-leitenden Inselgebiet gebildet. Das insbesondere mittels einer Steuerelektrode kontaktierte vergrabene Inselgebiet übernimmt außerdem im Sperrbetrieb (= ausgeschalteter Zustand) die Abschirmung der Kathodenelektrode gegenüber dem hohen elektrischen Feld.

Der in der DE 198 33 214 C1 und auch in der WO 00/16403 A1 beschriebene Halbleiteraufbau kann insbesondere auch im dritten Quadranten seiner Strom-Spannungs-Kennlinie, also in Rückwärtsrichtung, betrieben werden. Dies ist vor allem bei einem Einsatz in einem Umrichter von Vorteil, da der Halbleiteraufbau in diesem Betriebszustand als Freilaufdiode wirkt. Damit lässt sich die ansonsten in einem Umrichter erforderliche Beschaltung des Halbleiteraufbaus mit einer zusätzlichen externen Freilaufdiode einsparen. Die vorteilhafte inhärente Freilaufdiode wird in dem bekannten Halbleiteraufbau durch eine p-n-Diode gebildet, die das vergrabene Inselgebiet und das erste Halbleitergebiet beinhaltet. Allerdings besteht im genannten Freilaufbetrieb dann die Möglichkeit, dass im Steuerkreis ein dem Laststrom vergleichbarer Strom fließt. Der Steuerkreis ist deshalb für eine größere Stromtragfähigkeit auszulegen. Dies erfolgt unter anderem mittels einer größer dimensionierten Steuerelektrode. Aufgrund des größeren Platzbedarfs auf dem Halbleitersubstrat erhöhen sich dann aber auch die Herstellungskosten eines solchen Halbleiteraufbaus.

Weiterhin ist aus der US 6,188,555 81 ein Halbleiteraufbau mit einem ersten Halbleitergebiet, innerhalb dessen zwischen einer Anoden- und einer Kathodenelektrode ein Strompfad verläuft, bekannt. Bei einer Ausführungsform ist ein Halbleiteraufbau mit einem Schottky-Kontakt zwischen der Kathodenelektrode und dem ersten Halbleitergebiet vorgesehen. Allerdings handelt es sich hierbei um einen passiven Halbleiteraufbau, der über keine Steuerelektrode zur aktiven Beeinflussung des Stromflusses innerhalb des Strompfads mittels einer an der Steuerelektrode anstehenden Steuerspannung verfügt.

Außerdem ist auch in der EP 1 115 159 AI ein Halbleiteraufbau mit einem Strompfad zwischen einer Anoden- und einer Kathodenelektrode innerhalb eines ersten Halbleitergebiets beschrieben. Bei einer Ausführungsform ist eine Steuerelektrode in Form eines Schottky-Kontakts zur aktiven Beeinflussung des Stromflusses innerhalb des Strompfads vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Halbleiteraufbau der eingangs bezeichneten Art anzugeben, der einen Freilaufbetrieb ohne erhöhten Stromfluss im Steuerkreis ermöglicht.

Zur Lösung der den Halbleiteraufbau betreffenden Aufgabe wird ein Halbleiteraufbau entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiteraufbau zur Steuerung eines Stroms handelt es sich um einen Halbleiteraufbau der eingangs bezeichneten Art, der gekennzeichnet ist durch einen zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode verlaufenden, eine Schottky-Diode umfassenden und für den Rückwärtsbetrieb bestimmten zweiten Strompfad, wobei der Schottky-Kontakt der Schottky-Diode zwischen der Kathodenelektrode und dem ersten Halbleitergebiet gebildet ist.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die zusätzlich vorhandene Schottky-Diode den Strom in Rückwärtsrichtung (= Freilaufbetrieb) zuverlässig führen kann. Insbesondere schaltet sich die Schottky-Diode aufgrund ihrer niedrigeren Schwellenspannung eher ein als eine gegebenenfalls auch im Halbleiteraufbau vorhandene p-n-Diode, die ansonsten den Strom in Rückwärtsrichtung führen würde. Im Halbleitermaterial Siliciumcarbid (SiC) beispielsweise liegt die Schwellenspannung einer solchen Schottky-Diode bei etwa 1 V, diejenige einer p-n-Diode dagegen bei etwa 3 V. Die integrierte Schottky-Diode wirkt also als Freilaufdiode, und zwar noch ehe eine andere, für den in diesem Betriebszustand möglicherweise sehr hohen Strom nicht ausgelegte p-n-Diode durchschaltet. Eine besondere Dimensionierung dieser p-n-Diode hinsichtlich ihrer Stromtragfähigkeit ist deshalb nicht mehr erforderlich. Diese durch die Schottky-Diode überbrückte p-n-Diode kann sich dabei sowohl im Last- als auch im Steuerkreis des Halbleiteraufbaus befinden.

Ein weiterer Vorteil der unipolaren Schottky-Diode gegenüber einer bipolaren p-n-Diode liegt in der Vermeidung eines bipolaren Speichereffekts. Letzterer würde sich nämlich bei einem Einsatz einer p-n-Diode ergeben, da die am p-n-Übergang in einer beispielsweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets angeordneten Driftzone vorhandenen Speicherladungen bei jedem Umschaltvorgang umgeladen werden müssten. Die damit einhergehenden nachteiligen Effekte einer Verminderung der Schaltgeschwindigkeit sowie einer Erhöhung der Schaltverluste treten dagegen bei der erfindungsgemäß eingesetzten Schottky-Diode nicht auf.

Die genannten Vorteile kommen insbesondere bei einem aktiven Halbleiteraufbau, d.h. einem Halbleiteraufbau, bei dem die Stromsteuerung durch eine gezielte externe Einflussnahme verändert werden kann, zum Tragen. Diese Einflussnahme erfolgt über die Steuerelektrode und einen daran angeschlossenen externen Steuerkreis. Erst die durch die Schottky-Diode im Rückwärtsbetrieb bedingte Stromentlastung des Steuerkreises ermöglicht es aber nun, die Steuerelektrode und auch den Steuerkreis weiterhin praktisch ausschließlich im Hinblick auf die im Vorwärtsbetrieb weitgehend leistungs- und damit auch weitgehend stromlose Stromsteuerung auszulegen. Damit kann beispielsweise eine kleine Anschlussfläche für die Steuerelektrode und ein kleiner Querschnitt für die Anschlussdrähte gewählt werden. Trotzdem ist ein Freilaufbetrieb über die zusätzlich integrierte Schottky-Diode gewährleistet.

Günstig ist auch insbesondere, dass die Schottky-Diode zwischen Kathoden- und Anodenelektrode und damit im Lastkreis angeordnet ist. Dann kann die Schottky-Diode im Rückwärtsbetrieb die genannte vorteilhafte Stromentlastung leisten. Bei einer anderen Anordnung der Schottky-Diode innerhalb des Halbleiteraufbaus, beispielsweise im Steuerkreis d.h. zwischen der Steuerelektrode einerseits und der Kathoden- oder Anodenelektrode andererseits, ergibt sich diese günstige Wirkung nicht. Die Schottky-Diode dient dann nur dem Aufbau einer Raumladungszone und führt aber keinen nennenswerten Stromanteil.

Der Halbleiteraufbau weist ein zumindest teilweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets vergrabenes Inselgebiet auf. Letzteres hat einen zweiten gegenüber dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp. Es ist außerdem mittels der Steuerelektrode kontaktiert. Vorzugsweise handelt es sich dann bei der zur Stromsteuerung vorgesehene Verarmungszone um die Verarmungszone des zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem vergrabenen Inselgebiet gebildeten p-n-Übergangs.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Halbleiteraufbaus gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Günstig ist eine Variante, bei der der Bereich der Kathodenelektrode, der den Schottky-Kontakt bildet, zentral angeordnet ist. Dieser Bereich ist insbesondere von einem weiteren Bereich, einem ohmschen Kontakt-Bereich, in der erste Strompfad ohmsch mit der Kathodenelektrode kontaktiert ist, umgeben. Je nach Ausführungsform des Halbleiteraufbaus in einem streifenförmigen, quadratischen oder rotationssymmetrischen Zellendesign ist der Schottky-Kontakt-Bereich dann entweder nur an zwei Seiten oder an vier Seiten oder ringsum von dem ohmschen Kontakt-Bereich umgeben. Dadurch ergibt sich ein besonders kompakter und platzsparender Halbleiteraufbau.

Die zur Stromsteuerung bestimmte Verarmungszone ist insbesondere benachbart zu einem Teil des ersten Strompfads angeordnet. Sie grenzt an diesen Teil des ersten Strompfads an oder erstreckt sich je nach anliegender Steuerspannung in diesen Teil hinein. Vorzugsweise führt der zweite Strompfad an dem Teil des ersten Strompfads vorbei, in dem die Strombeeinflussung mittels der steuerbaren Verarmungszone hauptsächlich stattfindet.

Weiterhin gibt es eine Ausführungsform mit einem innerhalb des ersten Halbleitergebiets angeordneten Kanalgebiet, durch das der erste Strompfad verläuft. Innerhalb dieses Kanalgebiets lässt sich der Stromfluss dann mittels wenigstens einer Verarmungszone auf sehr einfache Weise beeinflussen. Dies geschieht beispielsweise über eine kontrollierte Veränderung der lokalen Ausdehnung der Verarmungszone. Insbesondere, wenn das Kanalgebiet teilweise durch die Verarmungszone des zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem vergrabenen Inselgebiet gebildeten p-n-Übergangs begrenzt ist, erhält man die gewünschte Steuerung der Stromtragfähigkeit im Kanalgebiet und damit auch des Stromflusses zwischen Anoden- und erster Kathodenelektrode. Neben der im Durchlassbetrieb mittels seiner Verarmungszone bewirkten Stromsteuerung dient das Inselgebiet im Sperrbetrieb außerdem der Abschirmung der Kathodenelektrode gegenüber dem hohen elektrischen Feld. Dadurch weist der Halbleiteraufbau ein sehr hohes Sperrvermögen auf.

Außerdem ist es auch möglich, dass Kanalgebiet durch eine weitere Verarmungszone begrenzt ist. Diese weitere Verarmungszone gehört zu einem weiteren p-n-Übergang, der bei einer bevorzugten Ausgestaltung zwischen dem ersten Halbleitergebiet und einem zweiten Halbleitergebiet eines zweiten gegenüber dem ersten Leitungstyp (n oder p) entgegengesetzten Leitungstyps (p oder n) gebildet ist. Das zweite Halbleitergebiet ist innerhalb des ersten Halbleitergebiets an dessen Oberfläche angeordnet. Vorzugsweise kontaktiert die Kathodenelektrode neben dem ersten Strompfad und der Schottky-Diode auch dieses zweite Halbleitergebiet. Diese Kontaktierung ist je nach Dotierung des zweiten Halbleitergebiets insbesondere ohmsch.

Vorteilhaft ist es, wenn die Stromsteuerung im ersten Strompfad mittels eines vorzugsweise lateralen Kanalgebiets erfolgt. In dieser Ausführungsform kann sowohl der zu führende Strom sicher an- und abgeschaltet werden, als auch eine hohe Sperrspannung vom Halbleiteraufbau aufgenommen werden. Außerdem bietet ein lateraler Kanal eine gewisse Eigensicherheit gegenüber einem kritischen Überlaststrom. Neben dem lateralen Kanalgebiet kann auch ein weiteres, vorzugsweise vertikales Kanalgebiet innerhalb des ersten Strompfads vorhanden sein. Im Gegensatz zum ersten Strompfad durchläuft der zweite Strompfad dann nur das vertikale Kanalgebiet.

Günstig ist ein sogenannter vertikaler Halbleiteraufbau, bei dem der Strom im Wesentlichen in vertikaler Richtung durch den Halbleiteraufbau geführt wird. Diese Ausführungsform ist in der Lage, im Sperrfall eine besonders hohe Sperrspannung zu tragen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Halbleiteraufbau teilweise oder auch komplett aus einem Halbleitermaterial, das einen Bandabstand von wenigstens 2 eV aufweist. Geeignete Halbleitermaterialien sind beispielsweise Diamant, Galliumnitrit (GaN), Indiumphosphid (InP) oder vorzugsweise Siliciumcarbid (SiC). Auf Grund der durch den hohen Bandabstand bedingten extrem niedrigen intrinsischen Ladungsträgerkonzentration (= Ladungsträgerkonzentration ohne Dotierung) sind die genannten Halbleitermaterialien, insbesondere SiC, sehr vorteilhaft. Die genannten Halbleitermaterialien weisen im Vergleich zu dem "Universalhalbleiter" Silicium eine deutlich höhere Durchbruchsfestigkeit auf, so dass der Halbleiteraufbau auch bei einer höheren Sperrspannung einen sehr geringen Durchlassverlust aufweist. Das bevorzugte Halbleitermaterial ist Siliciumcarbid; insbesondere einkristallines Siliciumcarbid vom 3C- oder 4H- oder 6H- oder 15R-Polytyp.

Besonders von Vorteil ist ein Einsatz des Halbleiteraufbaus in einer Umrichterschaltung. Die als Freilaufdiode wirkende Schottky-Diode erspart dann eine externe Beschaltung mit einer gesonderten Freilaufdiode. Der Platzbedarf und die Herstellungskosten der Umrichterschaltung lassen sich auf diese Weise reduzieren.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Aspekte sind schematisiert dargestellt.

In der einzigen Figur ist ein Halbleiteraufbau mit einer für den Rückwärtsbetrieb bestimmten Schottky-Diode gezeigt.

In der Figur ist ein Halbleiteraufbau 100 zur Steuerung eines Stroms I in Form eines vertikalen Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors (JFET) dargestellt. Der in der Figur gezeigte Halbleiteraufbau ist lediglich eine Halbzelle. Durch Spiegelung an dem linken Rand der Halbzelle erhält man eine komplette Zelle. Eine Mehrzellenstruktur ergibt sich entsprechend durch mehrfache Spiegelung.

Der aktive Teil, in dem die Stromsteuerung im Wesentlichen stattfindet, ist in einem n-leitenden (Elektronenleitung) ersten Halbleitergebiet 2 enthalten. Innerhalb des ersten Halbleitergebiets 2 ist ein p-leitendes (Löcherleitung) vergrabenes Inselgebiet 3 angeordnet. Das erste Halbleitergebiet 2 weist eine nicht ebene erste Oberfläche 20, das vergrabene Inselgebiet 3 eine zweite Oberfläche 80 auf. Beide Oberflächen 20 und 80 laufen im Wesentlichen parallel zueinander. Der Halbleiteraufbau 100 wird insbesondere deshalb als vertikal bezeichnet, da der Stromfluss größtenteils vertikal, d.h. senkrecht zur zweiten Oberfläche 80 durch den Halbleiteraufbau 100 erfolgt.

Das erste Halbleitergebiet 2 setzt sich im Ausführungsbeispiel der Figur aus einem Halbleitersubstrat 27 und zwei darauf angeordneten, epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichten 261 und 262 zusammen. Die erste Oberfläche 20 gehört zur zweiten, nach dem epitaktischen Wachstum weiter bearbeiteten Epitaxieschicht 262 und die zweite Oberfläche 80 zur ersten Epitaxieschicht 261. Die beiden Epitaxieschichten 261 und 262 können in etwa eine gleiche Dotierung haben. Üblicherweise ist aber die erste Epitaxieschicht 261 niedriger dotiert als die zweite Epitaxieschicht 262. Die erste Epitaxieschicht 261 bestimmt die maximal vom Halbleiteraufbau 100 aufzunehmende Sperrspannung, die zweite Epitaxieschicht 262 dagegen die Steuereigenschaften des Halbleiteraufbaus 100. Beide Epitaxieschichten 261 und 262 sind aber insbesondere niedriger dotiert (n) als das Halbleitersubstrat 27 (n+).

An der ersten Oberfläche 20 ist innerhalb des ersten Halbleitergebiets 2 ein n-leitendes Kontaktgebiet 5 vorgesehen. Es ist hoch dotiert (n+). In einer Projektion auf die zweite Oberfläche 80 erstreckt sich das Inselgebiet 3 in allen Richtungen parallel zur zweiten Oberfläche 80 weiter als das Kontaktgebiet 5. Dadurch wird eine gute Abschirmung des Kontaktgebiets 5 erreicht. Das Kontaktgebiet 5 ist mittels einer Kathodenelektrode 50 in einem ohmschen Kontakt-Bereich 201 der Oberfläche 20 ohmsch kontaktiert.

Angrenzend an einen zurückversetzten Teil der Oberfläche 20 ist innerhalb des ersten Halbleitergebiets 2 außerdem mindestens ein zweites Halbleitergebiet 4 angeordnet, das den p-Leitungstyp aufweist und hoch dotiert (p+) ist. Wiederum erstreckt sich das Inselgebiet 3 in einer Projektion auf die zweite Oberfläche 80 in allen Richtungen parallel zur zweiten Oberfläche 80 weiter als das zweite Halbleitergebiet 4. Es gibt jedoch auch andere nicht gezeigte Ausführungsformen, bei denen sich das Inselgebiet 3 und das zweite Halbleitergebiet 4 in der genannten Projektion nur an ihren Rändern überlappen. In der Figur sind in dieser Hinsicht maßgebliche Dimensionierungsparameter a und b mit eingetragen. Sie sind entsprechend den jeweiligen Anforderungen in weiten Grenzen frei wählbar. Das zweite Halbleitergebiet 4 ist mittels der Kathodenelektrode 50 in einem ohmschen Kontakt-Bereich 202 der Oberfläche 20 ohmsch kontaktiert und folglich mit dem Kontaktgebiet 5 elektrisch kurzgeschlossen.

In zentraler Position, die bei der Halbzellen-Darstellung der Figur dem linken Randbereich entspricht, ist als Teil der Oberfläche 20 und benachbart zu dem Kontakt-Bereich 202 weiterhin ein Schottky-Kontakt-Bereich 203 vorgesehen. Die Kathodenelektrode 50 bildet hier mit der niedrig dotierten n-leitenden Epitaxieschicht 262 des ersten Halbleitergebiets 2 einen Schottky-Kontakt. Die Kathodenelektrode 50 erfüllt also verschiedene Funktionen: sie kontaktiert das n-leitende Kontaktgebiet 5 sowie das p-leitende zweite Halbleitergebiet 4 ohmsch und bildet mit dem schwach n-leitenden Gebiet der Epitaxieschicht 262 einen Schottky-Kontakt.

Vorzugsweise wird das vergrabene Inselgebiet 3 nach Aufbringen der ersten Epitaxieschicht 261 mittels Ionenimplantation hergestellt. Es folgt in einem zweiten epitaktischen Wachstumsschritt das Aufbringen der zweiten Epitaxieschicht 262 und die Erzeugung des Kontaktgebiets 5 sowie des zweiten Halbleitergebiets 4 mittels Implantation von Ionen in die zweite Epitaxieschicht 262.

Innerhalb der zweiten Epitaxieschicht 262 ist ein Kontaktloch 70 vorgesehen, das sich in vertikaler Richtung bis zu der zweiten Oberfläche 80 erstreckt. Das Kontaktloch 70 legt einen Teil des vergrabenen Inselgebiets 3 frei, so dass es mittels einer Steuerelektrode 40 ohmsch kontaktiert werden kann. Das Kontaktloch 70 wird ebenso wie die zurückversetzten Teile der Oberfläche 20 beispielsweise mittels eines Trockenätzprozesses hergestellt. Um Schwankungen in der Ätztiefe auszugleichen, können gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform auch mehrere Kontaktlöcher 70, die dann jeweils einen kleineren Durchmesser aufweisen, vorgesehen sein.

Auf einer von der ersten Oberfläche 20 abgewandten Seite des ersten Halbleitergebiets 2 ist zur ohmschen Kontaktierung des Substrats 27 eine Anodenelektrode 60 vorgesehen. Für die trotz ihrer verschiedenen Funktionsbereiche dennoch insbesondere einheitlich ausgebildete Kathodenelektrode 50, die Anodenelektrode 60 sowie die Steuerelektrode 40 wird Polysilicium oder ein Metall, vorzugsweise Nickel, Aluminium, Tantal, Titan oder Wolfram, als Kontaktwerkstoff verwendet.

Als Halbleitermaterial kommt in dem Halbleiteraufbau 100 Siliciumcarbid (SiC) zum Einsatz. Es eignet sich insbesondere bei hohen Spannungen auf Grund seiner spezifischen Materialeigenschaften besonders gut. Bevorzugte Dotierstoffe sind Bor und Aluminium für eine p-Dotierung sowie Stickstoff und Phosphor für eine n-Dotierung. Die Dotierstoffkonzentration des Kontaktgebiets 5 liegt typischerweise zwischen 1 × 1019cm–3 und 1 × 1020 cm–3 und die der beiden Epitaxieschichten 261 und 262 typischerweise bei höchstens 5 × 1016 cm–3. Das Zeichen "x" wird hier als Multiplikationssymbol verwendet. Die Dotierung und auch die Dicke der ersten Epitaxieschicht 261 hängen insbesondere von der im Sperrfall von dem Halbleiteraufbau 100 aufzunehmenden Sperrspannung ab. Je höher die Sperrspannung ist, desto niedriger liegt diese Dotierung. Die Epitaxieschicht 261 hat im Wesentlichen das zu sperrende elektrische Feld zu tragen. Die beiden p-leitenden Gebiete 3 und 4 haben eine Dotierstoffkonzentration von jeweils mindestens 5 × 1017 cm–3. Im Beispiel ist das vergrabene Inselgebiet 3 mit etwa 5 × 1018 cm–3 und das zweite Halbleitergebiet 4 mit etwa 2 × 1019 cm–3 dotiert.

In Vorwärtsrichtung passiert der Strom I den Halbleiteraufbau 100 auf einem ersten Strompfad IP1, der zwischen der Anodenelektrode 60 und der Kathodenelektrode 50 verläuft. Er umfasst das Kontaktgebiet 5, ein im ersten Halbleitergebiet 2 angeordnetes laterales Kanalgebiet 22, ein ebenfalls im ersten Halbleitergebiet 2 angeordnetes vertikales Kanalgebiet 21 sowie eine sich danach anschließende Driftzone, die sich aus dem verbleibenden Teil der ersten Epitaxieschicht 261 und dem Substrat 27 zusammensetzt.

Die Stromsteuerung wird maßgeblich durch das im ersten Strompfad IP1 gelegene laterale Kanalgebiet 22 bestimmt. Sein Kanalwiderstand hängt von der lokalen Ausdehnung zweier Verarmungszonen ab. Zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleitergebiet 2 bzw. 4 liegt ein p-n-Übergang mit einer ersten Verarmungszone 24. Außerdem existiert zwischen dem ersten Halbleitergebiet 2 und dem vergrabenen Inselgebiet 3 ein weiterer p-n-Übergang mit einer zweiten Verarmungszone 23. Die Verarmungszonen 23 und 24 umgeben das gesamte vergrabene Inselgebiet 3 bzw. das zweite Halbleitergebiet 4. Soweit sie sich in das erste Halbleitergebiet 2 ausdehnen, sind sie in der Figur gestrichelt eingezeichnet. Die erste und die zweite Verarmungszone 24 bzw. 23 begrenzen in vertikaler Richtung das laterale Kanalgebiet 22.

Typischerweise beträgt die Länge (= laterale Ausdehnung) des lateralen Kanalgebiets 22 bei einem aus Siliciumcarbid hergestellten Halbleiteraufbau 100 zwischen 1 &mgr;m und 5 &mgr;m. Vorzugsweise ist das laterale Kanalgebiet 22 möglichst kurz ausgebildet. Dann ergibt sich ein sehr kompakter Gesamtaufbau mit geringem Platzbedarf. Die vertikale Ausdehnung liegt im spannungs- und stromfreien Zustand typischerweise zwischen 0,5 &mgr;m und 2 &mgr;m. Die Verarmungszonen 23 und 24 sind durch eine starke Verarmung an Ladungsträgern gekennzeichnet und weisen damit einen wesentlich höheren elektrischen Widerstand auf, als das von ihnen in vertikaler Richtung begrenzte laterale Kanalgebiet 22. Die räumliche Ausdehnung der beiden Verarmungszonen 23 und 24, insbesondere die in vertikaler Richtung, variiert in Abhängigkeit der herrschenden Strom- und Spannungsverhältnisse.

Im Durchlassbetrieb (= üblicherweise Vorwärtsrichtung) hängt das Verhalten auch von dem zwischen den beiden Elektroden 50 und 60 auf dem ersten Strompfad IP1 durch den Halbleiteraufbau 100 fließenden elektrischen Strom I ab. Mit steigender Stromstärke wächst auf Grund des Bahnwiderstands der Vorwärtsspannungsabfall zwischen den Elektroden 50 und 60. Dies führt zu einer Vergrößerung der Verarmungszonen 23 und 24 und folglich zu einer mit einer entsprechenden Widerstandserhöhung verbundenen Verminderung der stromtragenden Querschnittsfläche im lateralen Kanalgebiet 22. Bei Erreichen eines bestimmten kritischen Stromwerts (= Sättigungsstrom) berühren sich die beiden Verarmungszonen 23 und 24 und schnüren das laterale Kanalgebiet 22 vollständig ab. Dadurch ergibt sich eine Eigensicherheit gegenüber einem kritischen Überlaststrom, der ansonsten zur Zerstörung des Halbleiteraufbaus 100 führen könnte.

Die beschriebene Kanalabschnürung kann auch erreicht werden, indem eine Steuerspannung an die Steuerelektrode 40 angelegt wird. Dadurch dehnt sich die zweite Verarmungszone 23 in vertikaler Richtung in den lateralen Kanal 22 hinein aus.

Da der Stromfluss innerhalb des Halbleiteraufbaus 100 also durch eine externe Maßnahme (Steuerspannung) beeinflusst werden kann, handelt es sich bei dem Halbleiteraufbau 100 um eine aktive Anordnung.

Auch bei Anliegen einer Betriebsspannung in Rückwärtsrichtung, d.h. im Beispiel der Figur bei einem gegenüber dem Potential der Kathodenelektrode 50 negativen Potential an der Anodenelektrode 60, erfolgt zunächst ein Stromfluss auf dem Strompfad IP1. Vorausgesetzt ist hierbei, dass an der Steuerelektrode 40 keine oder keine nennenswerte Sperrsteuerspannung ansteht. Dann liegen die Kathodenelektrode 50 und die Steuerelektrode 40 also in etwa auf gleichem Potential. Ohne Gegenmaßnahme würde der durch den Stromfluss hervorgerufene Spannungsabfall nun aber dazu führen, dass bei Überschreiten der Schwellenspannung eine durch das vergrabene Inselgebiet 3 und den darunter liegenden Teil des ersten Halbleitergebiets 2 gebildete p-n-Diode 90 in ihren leitenden Zustand umschalten und einen wesentlichen Teil des Stromflusses in Rückwärtsrichtung übernehmen würde.

Dies wäre insbesondere deshalb ungünstig, da dann die Steuerelektrode 40 sowie der in der Figur nicht gezeigte externe Steuerkreis auf einen Stromfluss in der Größenordnung des Nennlaststroms ausgelegt werden müssten. Dies wäre jedenfalls mit einem größeren Platzbedarf für die Steuerelektrode 40 und damit mit höheren Herstellungskosten verbunden. Außerdem würde die p-n-Diode 90 im eingeschalteten Zustand Elektron-Loch-Paare in den unter dem vergrabenen Inselgebiet 3 liegenden Teil des ersten Halbleitergebiets 2 injizieren. Die damit einhergehenden bipolaren Speicherladungseffekte würden sich dann beim Umschalten des Stromflusses von Rückwärts- auf Vorwärtsrichtung negativ auf die erzielbare Schaltgeschwindigkeit auswirken.

Um diese negativen Folgen zu vermeiden, ist bei dem Halbleiteraufbau 100 ein für den Rückwärtsbetrieb bestimmter zweiter Strompfad IP2 zwischen der zweiten Kathodenelektrode 50 und der Anodenelektrode 60 vorgesehen. Er umfasst eine Schottky-Diode 95, deren Schottky-Kontakt zwischen der Kathodenelektrode 50 und der niedrig dotierten Epitaxieschicht 262 im Schottky-Kontakt-Bereich 203 gebildet ist.

Bei der vorliegenden Realisierung in SiC liegt die Schwellenspannung, ab der sich die Schottky-Diode 95 einschaltet, bei etwa 1 V. Die Schwellenspannung der p-n-Diode 90 liegt dagegen bei etwa 3 V. Die integrierte Schottky-Diode 95 wird somit im Rückwärtsbetrieb deutlich früher leitend als die p-n-Diode 90, deren Einschalten durch diese Gegenmaßnahme sicher verhindert wird. Damit sind die Steuerelektrode 40 und der externe Steuerkreis vorteilhafterweise nicht auf eine hohe Stromtragfähigkeit auszulegen. Der Strom fließt auch in Rückwärtsrichtung über die ohnehin auf den Nennlaststrom ausgelegte Kathodenelektrode 50. Da es sich bei der Schottky-Diode 95 im Gegensatz zu der bipolaren p-n-Diode 90 außerdem um eine unipolare Struktur handelt, treten auch die genannten ungünstigen bipolaren Speicherladungseffekte nicht auf. Der Halbleiteraufbau 100 weist deshalb ein sehr schnelles Schaltvermögen auf. Die integrierte Schottky-Diode 95 hat auch keinen negativen Einfluss auf das Sperrvermögen des Halbleiteraufbaus 100. Sobald die Kanalabschnürung eingetreten ist, wird die Sperrfähigkeit nämlich im wesentlichen nur noch durch das vergrabene Inselgebiet 3 bestimmt.

Aufgrund seiner günstigen Stromführungseigenschaften auch im Rückwärtsbetrieb eignet sich der Halbleiteraufbau 100 besonders gut für einen Einsatz in einer Brückenschaltung, wie sie beispielsweise in der Umrichtertechnik vorkommt. In der Umrichtertechnik werden zur Stromsteuerung üblicherweise Halbleiter-Schaltelemente eingesetzt, die für den Betrieb in Rückwärtsrichtung (Freilaufbetrieb) mit einer antiparallel geschalteten externen Diode überbrückt sind. Diese gesonderte Beschaltung mit einer sogenannten Freilaufdiode ist bei einer Verwendung des Halbleiteraufbaus 100 überflüssig, da die integrierte Schottky-Diode 95 bereits als schnelle Freilaufdiode wirkt.

Es versteht sich, dass die beim Halbleiteraufbau 100 in den jeweiligen Halbleitergebieten vorgesehenen Leitungstypen bei einer alternativen Ausführungsform auch den jeweils entgegengesetzten Leitungstyp annehmen können. Ausschlaggebend ist das Prinzip, im Lastkreis eine zusätzliche für die Stromführung im Rückwärtsbetrieb bestimmte Schottky-Diode vorzusehen.


Anspruch[de]
  1. Halbleiteraufbau zum Steuern und Schalten eines Stroms (2) umfassend mindestens:

    a) ein erstes Halbleitergebiet (2) eines ersten Leitungstyps,

    b) einen zwischen einer Anodenelektrode (60) und einer Kathodenelektrode (50) zumindest teilweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets (2) verlaufenden ersten Strompfad (IP1),

    c) eine zumindest teilweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets (2) angeordnete Verarmungszone (23), die zur Stromsteuerung mittels einer an einer Steuerelektrode (40) anstehenden Steuerspannung beeinflussbar ist, und

    d) ein mittels der Steuerelektrode (40) kontaktiertes und innerhalb des ersten Halbleitergebiets (2) zumindest teilweise vergrabenes Inselgebiet (3) eines zweiten gegenüber dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps,

    gekennzeichnet durch

    e) einen zwischen der Kathodenelektrode (50) und der Anodenelektrode (60) verlaufenden, eine Schottky-Diode (95) umfassenden und für den Rückwärtsbetrieb bestimmten zweiten Strompfad (IP2), wobei der Schottky-Kontakt der Schottky-Diode (95) zwischen der Kathodenelektrode (50) und dem ersten Halbleitergebiet (2) gebildet ist.
  2. Halbleiteraufbau nach Anspruch 1, bei dem ein Schottky-Kontakt-Bereich (203), in dem der Schottky-Kontakt zwischen dem ersten Halbleitergebiet und der Kathodenelektrode (50) gebildet ist, zentral angeordnet ist.
  3. Halbleiteraufbau nach Anspruch 2, bei dem der Schottky-Kontakt-Bereich (203) von einem zur ohmschen Kontaktierung des ersten Strompfads (IP1) bestimmten ohmschen Kontakt-Bereich (201) umgeben ist.
  4. Halbleiteraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und der zweite Strompfad (IP1, IP2) im wesentlichen in vertikaler Richtung verlaufen.
  5. Halbleiteraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Siliciumcarbid als Halbleitermaterial vorgesehen ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com