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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.
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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.
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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 ei nem
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.
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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.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, einen Halbleiteraufbau der eingangs bezeichneten Art anzugeben,
der einen Freilaufbetrieb ohne erhöhten Stromfluss im Steuerkreis
ermöglicht.
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Zur Lösung der den Halbleiteraufbau
betreffenden Aufgabe wird ein Halbleiteraufbau entsprechend den
Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1 angegeben.
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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.
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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.
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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 Schaltge schwindigkeit sowie einer Erhöhung der Schaltverluste treten
dagegen bei der erfindungsgemäß eingesetzten Schottky-Diode
nicht auf.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des
Halbleiteraufbaus gemäß der Erfindung
ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
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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.
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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.
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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 zwi schen 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In der einzigen Figur ist ein Halbleiteraufbau mit
einer für
den Rückwärtsbetrieb
bestimmten Schottky-Diode gezeigt.
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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.
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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.
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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+).
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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.
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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 überlap pen. 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.
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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.
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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.
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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 Ausfüh rungsform
auch mehrere Kontaktlöcher 70,
die dann jeweils einen kleineren Durchmesser aufweisen, vorgesehen
sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Typischerweise beträgt die Länge (= laterale Ausdehnung)
des lateralen Kanalgebiets 22 bei einem aus Siliciumcarbid
hergestellten Halbleiteraufbau 100 zwischen 1 μm und 5 μm. 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 μm
und 2 μm.
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Rück wärtsrichtung 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.
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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.
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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.