DE102012107924A1 - Halbleiterbauelement mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht, Temperatursensor und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht, Temperatursensor und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements Download PDF

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Abstract

Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Halbleiterbauelement ein Halbleitersubstrat (110, 210) und eine amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) auf dem Halbleitersubstrat (110, 210).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Im vorliegenden Text beschriebene Ausführungsformen betreffen Halbleiterbauelemente mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht, Temperatursensoren mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht und Verfahren zum Herstellen mehrerer Halbleiterbauelemente.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Schnellschaltende Hochspannungs-Leistungsbauelemente wie zum Beispiel IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) werden zum Steuern induktiver Lasten in Wandlern für drehzahlveränderliche Antriebe verwendet. Die induktiven Lasten sind zum Beispiel Elektromotoren. Solche Leistungsbauelemente sind je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck dafür gedacht, einige 100 V bis zu 6,5 kV zu sperren. Die Wandler enthalten Brückenschaltungen, die durch Leistungsbauelemente gebildet werden, die im Wechsel ein- und ausgeschaltet werden, um ein Ausgangsspannungssignal mit einer gewünschten Frequenz zu erzeugen. Dies ist auch als Impulsbreitenmodulation (Pulse-Width Modulation, PWM) bekannt. Mehrere Leistungsbauelemente können, zusammen mit ihren Freilaufdioden, in einem Modul für Hochspannungs- und Hochstromanwendungen kombiniert werden.
  • Die Leistungsbauelemente können während des Betriebes Wärme erzeugen, die durch Schaltverluste und Überlastzustände verursacht wird. Bei Standardbetrieb kann die erzeugte Wärme durch einen Kühlkörper abgeleitet werden, der thermisch mit den Leistungsbauelementen gekoppelt ist. Andererseits wird oft eine Temperaturdetektion gewünscht, um die Temperatur der Leistungsbauelemente zu überwachen und um sicherzustellen, dass die Bauelemente nicht überhitzen. Deshalb ist ein Temperatursensor erwünscht.
  • Herkömmlicherweise werden sogenannte PTC- oder NTC-Widerstände in Leistungsbauelemente integriert. PTC-Widerstände (Positive Temperature Coefficient-Widerstand) sind Widerstände mit einem Widerstandswert, der mit der Temperatur steigt. Anders dagegen NTC-Widerstände (Negative Temperature Coefficient-Widerstand), deren Widerstandswert mit der Temperatur abnimmt. Jede Art von Widerständen wird durch ihren spezifischen Temperaturkoeffizienten (Temperature Coefficient, TC) definiert, der ein Maß dafür ist, in welchem Ausmaß sich der Widerstandswert mit der Temperatur verändert. Eine lineare Beziehung zwischen Widerstandswert und Temperatur ist wünschenswert.
  • Typische PTC-Widerstände, mitunter auch als kalte Leiter bezeichnet, sind Metalle. Zum Beispiel werden Platin-Temperatursensoren (Pt100) oft in Hochtemperatur-Anwendungen, wie zum Beispiel in Hochöfen, verwendet. Solche Sensoren besitzen eine gute Linearität, haben aber nur einen vergleichsweise kleinen Temperaturkoeffizienten von etwa 3,9 ‰ je °C. Andere Materialien sind halbleitende polykristalline Keramikwerkstoffe, wie zum Beispiel BaTiO3, die eine Erschöpfungsschicht an Korngrenzen aufbauen. Obgleich diese Materialien einen höheren Temperaturkoeffizienten haben als viele Metalle, ist ihre Linearität unbefriedigend.
  • NTC-Widerstände sind zum Beispiel reine Halbleitermaterialien, deren Trägerdichte mit der Temperatur ansteigt, was einen verringerten Widerstandswert bei erhöhten Temperaturen zur Folge hat. Jedoch gehorcht der Widerstandswert der Halbleitermaterialien einer exponentiellen Temperaturabhängigkeit.
  • Eine weitere Option zum Messen der Temperatur ist die Verwendung eines in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Übergangs, dessen Widerstandswert temperaturabhängig ist. Ein pn-Übergang hat eine gute Linearität, aber nur eine beschränkte Temperaturauflösung in einem Bereich von etwa –2 mV je °C. Das ist oft zu klein, um eine Temperaturauflösung von etwa 5°C zu erhalten, da die Serienstreuung zu Abweichungen zwischen einzelnen Temperatursensoren führen kann, die höher als 10 mV sein können. Um ein parasitisches Erwärmen der Temperatursensoren, das die Folge des durch sie hindurchfließenden Stromes ist, zu vermeiden, sollten nur kleine Ströme von etwa 1 mA/mm2 an den pn-Übergang angelegt werden. Das verringert den Temperaturkoeffizienten noch weiter. Folglich wird eine individuelle Kalibrierung benötigt. Ein Ersetzen oder Auswechseln von Leistungsbauelementen kann darum erst nach einer sorgfältigen Vorauswahl mit Bezug auf die Temperatureigenschaften ihrer Temperatursensoren stattfinden.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat bereitgestellt. Das Halbleiterbauelement enthält eine amorphe halb-isolierende Schicht auf dem Halbleitersubstrat.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Temperatursensor mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht bereitgestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bereitgestellt. Das Verfahren enthält das Bereitstellen eines Halbleitersubstrats und das Ausbilden einer amorphen halb-isolierenden Schicht auf dem Halbleitersubstrat.
  • Der Fachmann erkennt weitere Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und beim Betrachten der beiliegenden Zeichnungen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr wurde Wert auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile. In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
  • 1 veranschaulicht ein Halbleiterbauelement mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht als ein temperaturdetektierendes Element gemäß einer Ausführungsform.
  • 2 veranschaulicht ein Halbleiterbauelement mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht als ein temperaturdetektierendes Element gemäß einer Ausführungsform.
  • 3 veranschaulicht ein Halbleiterbauelement mit einem Temperaturelement mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht gemäß einer Ausführungsform.
  • 4 veranschaulicht ein Halbleiterbauelement mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht als ein temperaturdetektierendes Element gemäß einer Ausführungsform.
  • 5 zeigt die Strom-Spannung-Kennlinien eines Temperatursensors mit einer DLC-Schicht als ein temperaturdetektierendes Element gemäß einer Ausführungsform.
  • 6 zeigt die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Stärke des elektrischen Feldes eines Temperatursensors mit einer DLC-Schicht als temperaturdetektierendes Element gemäß einer Ausführungsform.
  • 7 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Spannungsabfalls an einer DLC-Schicht für verschiedene Stromdichten gemäß einer Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil des vorliegenden Textes bilden und in denen zur Veranschaulichung konkrete Ausführungsformen gezeigt sind, wie die Erfindung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht werden Richtungsangaben wie zum Beispiel „obere“, „untere“, „vordere“, „hintere“ usw. mit Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figuren verwendet. Weil Komponenten von Ausführungsformen in einer Reihe verschiedener Ausrichtungen positioniert sein können, dienen die Richtungsangaben nur der Veranschaulichung und sind in keiner Weise einschränkend. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung darf darum nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden, und der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung wird durch die beiliegenden Ansprüche definiert. In den beschriebenen Ausführungsformen wird ein spezifisches Vokabular verwendet, das nicht so ausgelegt werden darf, als schränke es den Geltungsbereich der beiliegenden Ansprüche ein.
  • Es versteht sich, dass Merkmale der verschiedenen im vorliegenden Text beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angemerkt ist. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer bestimmten Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben werden, auch in Verbindung mit Merkmalen anderer Ausführungsformen verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform herzustellen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Beschreibung solche Modifikationen und Variationen einschließt.
  • Der Begriff „lateral“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, meint eine Ausrichtung parallel zur Hauptfläche eines Halbleitersubstrats.
  • Der Begriff „vertikal“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, meint eine Ausrichtung, die senkrecht zur Hauptfläche des Halbleitersubstrats verläuft.
  • Im Sinne dieser Spezifikation wird eine zweite Fläche eines Halbleitersubstrats durch die Unter- oder Rückseite gebildet, während eine erste Fläche durch die Ober-, Vorder- oder Hauptfläche des Halbleitersubstrats gebildet wird. Die Begriffe „oberhalb“ und „unterhalb“, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, beschreiben darum eine relative Position eines strukturellen Merkmals zu einem anderen strukturellen Merkmal mit Bezug auf diese Ausrichtung.
  • Wenn von Halbleiterbauelementen die Rede ist, so sind Bauelemente mit mindestens zwei Anschlüssen gemeint; ein Beispiel ist eine Diode. Halbleiterbauelemente können auch Bauelemente mit drei Anschlüssen sein, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren (FET), Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), Übergangsfeldeffekttransistoren (JFET) und Thyristoren, um nur einige zu nennen. Die Halbleiterbauelemente können auch mehr als drei Anschlüsse enthalten. Gemäß einer Ausführungsform sind Halbleiterbauelemente Leistungsbauelemente. Integrierte Schaltkreise enthalten mehrere integrierte Bauelemente.
  • Mit Bezug auf 1 wird eine erste Ausführungsform eines Halbleiterbauelements mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht, das als ein temperaturdetektierendes Element verwendet wird, beschrieben. Das Halbleiterbauelement 100 enthält ein Halbleitersubstrat 110 mit einer ersten Fläche 111 und einer zweiten Fläche 112 gegenüber der ersten Fläche 111. Das Halbleitersubstrat 110 kann hoch dotiert sein, zum Beispiel in einem Bereich von etwa 1015/cm3 bis etwa 1021/cm3. Zum Beispiel kann das Halbleitersubstrat 110 hoch p-dotiert sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Halbleitersubstrat 110 hoch n-dotiert sein.
  • Eine amorphe halb-isolierende Schicht 130 ist auf der ersten Fläche 111 des Halbleitersubstrats 110 ausgebildet. Die amorphe halb-isolierende Schicht 130 steht in elektrischem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 110 und bildet mit ihm einen ohmschen Kontakt.
  • Das Halbleitersubstrat 110 kann aus jedem Halbleitermaterial hergestellt werden, das zum Herstellen von Halbleiterbauelementen geeignet ist. Zu Beispielen solcher Materialien gehören elementare Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Silizium (Si) oder Diamant, Halbleitermaterialien aus Verbindungen der Gruppe IV wie zum Beispiel Siliziumcarbid (SiC) oder Silizium-Germanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre III-V-Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Galliumnitrid (GaN), Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN), Indium-Galliumphosphid (InGaPa) oder Indium-Galliumarsenidphosphid (InGaAsP), und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Cadmiumtellurid (CdTe) und Quecksilber-Cadmiumtellurid (HgCdTe), um nur einige zu nennen. Die oben erwähnten Halbleitermaterialien werden auch als Homoübergangs-Halbleitermaterialien bezeichnet. Beim Kombinieren zweier verschiedener Halbleitermaterialien entsteht ein Heteroübergangs-Halbleitermaterial. Zu Beispielen von Heteroübergangs-Halbleitermaterialien gehören Silizium (SixC1-x)- und SiGe-Heteroübergangs-Halbleitermaterial. Für Leistungshalbleiteranwendungen werden derzeit vor allem Si-, SiC- und GaN-Materialien verwendet.
  • Eine erste Metallisierung 141 wird auf und in ohmschem Kontakt mit der amorphen halb-isolierenden Schicht 130 ausgebildet. Eine zweite Metallisierung 142 wird auf und in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 110 auf seiner zweiten Fläche 112 ausgebildet. Ein elektrischer Strom kann darum an die amorphe halb-isolierende Schicht 130 angelegt werden. Der Stromfluss kann in beiden Richtungen stattfinden. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Kontaktschicht zwischen der amorphen halb-isolierenden Schicht 130 und der ersten Metallisierung 141 angeordnet sein.
  • Die erste und die zweite Metallisierung 141, 142 können aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen. Zum Beispiel können Al, Cu, AlCu, AlSiCu, Ti, W, Pt, Au als Material für die erste und die zweite Metallisierung 141, 142 verwendet werden.
  • Die Leitfähigkeit des Halbleitersubstrats 110 ist hinreichend hoch, so dass ein Stromfluss zwischen der ersten und der zweiten Metallisierung 141, 142 in erster Linie durch den Widerstandswert der amorphen halb-isolierenden Schicht 130 bestimmt wird. Die benötigte Dotierungskonzentration für das Halbleitersubstrat 110 kann anhand der Dicke des Halbleitersubstrats 110 und des Nennwiderstandswertes der amorphen halb-isolierenden Schicht 130 gewählt werden.
  • 1 veranschaulicht ein Halbleiterbauelement 100 mit einem im Wesentlichen vertikalen Strompfad zwischen der ersten und der zweiten Metallisierung 141, 142, die auf gegenüberliegenden Flächen 111, 112 des Halbleitersubstrats 110 angeordnet sind. Das Halbleiterbauelement 100 kann zum Beispiel als ein diskretes Halbleiterelement, wie zum Beispiel ein diskreter Temperatursensor, verwendet werden.
  • Mit Bezug auf 2 wird eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht als ein temperaturdetektierendes Element beschrieben. Das Halbleiterbauelement 200 enthält ein Halbleitersubstrat 210 mit einer ersten Fläche 211 und einer zweiten Fläche 212 gegenüber der ersten Fläche 211. Das Halbleitersubstrat 210 kann aus einem beliebigen der oben beschriebenen Halbleitermaterialien bestehen.
  • Das Halbleitersubstrat 210 enthält eine hoch dotierte erste Dotierungsregion 221 eines ersten Leitfähigkeitstyps, die in dieser Ausführungsform vom n-Typ ist, die sich zu der ersten Fläche 211 des Halbleitersubstrats 210 erstreckt. Die erste Dotierungsregion 221 kann eine Flächendotierungskonzentration (d. h. eine Dotierungskonzentration an der ersten Fläche 211) in einem Bereich von etwa 1015/cm3 bis etwa 1021/cm3 haben. Das Halbleitersubstrat 210 enthält eine zweite Dotierungsregion 222, die sich zu der zweiten Fläche 212 des Halbleitersubstrats 210 erstreckt. Die zweite Dotierungsregion 222 kann vom gleichen Leitfähigkeitstyp sein und kann die gleiche Dotierungskonzentration wie die erste Dotierungsregion 221 haben oder kann eine Dotierungskonzentration haben, die von der Dotierungskonzentration der ersten Dotierungsregion 221 verschieden ist. In dieser Ausführungsform sind die erste und die zweite Dotierungsregion 221, 222 beide vom n-Typ. Die erste und die zweite Dotierungsregion 221, 222 können vertikal durch eine dritte Dotierungsregion 223 voneinander beabstandet sein, die den gleichen Leitfähigkeitstyp hat wie die erste und die zweite Dotierungsregion 221, 222, aber mit einer niedrigeren Dotierungskonzentration als die erste und die zweite Dotierungsregion 221, 222. Die dritte Dotierungsregion 223 kann eine Dotierungskonzentration in einem Bereich zwischen 1012/cm3 und 1016/cm3 haben, bei der es sich um die Hintergrund-Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats 210 handeln kann.
  • Eine amorphe halb-isolierende Schicht 230 wird auf der ersten Fläche 211 des Halbleitersubstrats 210 ausgebildet. Die amorphe halb-isolierende Schicht 230 steht in elektrischem Kontakt mit der ersten Dotierungsregion 221 und bildet mit ihr einen ohmschen Kontakt.
  • Eine erste Metallisierung 241 wird auf und in ohmschem Kontakt mit der amorphen halb-isolierenden Schicht 230 ausgebildet. Eine zweite Metallisierung 242 wird auf und in ohmschem Kontakt mit der zweiten Dotierungsregion 222 auf der zweiten Fläche 212 des Halbleitersubstrats 210 ausgebildet. Ein elektrischer Strom, der zwischen der ersten und der zweiten Metallisierung 241, 242 und durch das Halbleitersubstrat 210 fließt, kann darum an die amorphe halb-isolierende Schicht 230 angelegt werden. Die erste und die zweite Metallisierung 241, 242 können aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, wie oben beschrieben.
  • 2 veranschaulicht ein Halbleiterbauelement mit einem im Wesentlichen vertikalen Strompfad zwischen der ersten und der zweiten Metallisierung 241, 242, die auf gegenüberliegenden Flächen des Halbleitersubstrats 210 angeordnet sind. Die Struktur des Halbleiterbauelements 200 eignet sich zur Integration als ein Temperatursensor in einen integrierten Schaltkreis oder eine Leistungskomponente.
  • 3 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Temperatursensors, der in eine Leistungskomponente 300 integriert ist. In dieser konkreten Ausführungsform ist die Leistungskomponente 300 eine Diode, die in ein Halbleitersubstrat integriert ist. In weiteren Ausführungsformen ist die Leistungskomponente 300 ein Leistungs-MOS-FET oder ein IGBT. 3 ist eine Draufsicht auf die Leistungskomponente 300 mit einem aktiven Bereich und einem Umfangsrandbereich, der den aktiven Bereich umgibt. Der aktive Bereich ist von einer Anodenmetallisierung 351 bedeckt. Der Umfangsrandbereich enthält eine Hochspannungsterminierung 353 und eine Kanalstoppregion 352, die beide den aktiven Bereich umgeben. In dieser konkreten Ausführungsform enthält die Kanalstoppregion eine hoch dotierte n-Region 352, die auf einer oberen oder ersten Fläche des Halbleitersubstrats ausgebildet wird.
  • Ein Temperatursensor 360 wird in dem Umfangsrandbereich der Leistungskomponente 300 ausgebildet. Der Temperatursensor 360 wird in dieser Ausführungsform in der Kanalstoppregion 352 des Umfangsrandbereichs ausgebildet. Die Position des Temperatursensors 360 ist durch einen Kreis bezeichnet. Der Temperatursensor 360 enthält eine amorphe halb-isolierende Schicht 330 und eine erste Metallisierung 341, die auf und in ohmschem Kontakt mit der amorphen halb-isolierenden Schicht 330 ausgebildet wird. Die erste Metallisierung 341 und die Anodenmetallisierung 351 können zusammen gebildet werden und können aus einem beliebigen der oben beschriebenen Metalle oder Metalllegierungen bestehen. Der Temperatursensor 360 kann eine Struktur haben, wie sie zum Beispiel mit Bezug auf 1 gezeigt ist. Die in 1 gezeigte zweite Metallisierung kann auf der gesamten zweiten Fläche des Halbleitersubstrats gebildet werden und verwendete eine Katodenmetallisierung und als zweiten Anschluss für den Temperatursensor 360. Es ist ebenfalls möglich, separate, voneinander beabstandete Metallisierungsschichten für die Katode der Diode bzw. für den Temperatursensor 360 zu bilden.
  • Die Hochspannungsterminierung 353 kann eine amorphe halb-isolierende Schicht 353 enthalten, die aus dem gleichen Material bestehen kann, das für die amorphe halb-isolierende Schicht 330 des Temperatursensors 360 verwendet wird.
  • Die in 2 veranschaulichte Struktur kann dafür verwendet werden, den in 3 gezeigten Temperatursensor 360 in einer vertikalen Leistungsdiode zu bilden. Die zweite Dotierungsregion 222 ist dann Teil einer Feldstoppschicht, die erste Dotierungsregion 221 ist dann Teil der Kanalstoppregion 352, und die dritte Dotierungsregion 223 ist dann Teil der Driftregion der Leistungsdiode.
  • Mit Bezug auf 4 wird eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements mit einer amorphen halb-isolierenden Schicht als ein temperaturdetektierendes Element beschrieben. Das Halbleiterbauelement 400 enthält ein Halbleitersubstrat 410 mit einer ersten Fläche 411 und einer zweiten Fläche 412 gegenüber der ersten Fläche 411. Das Halbleitersubstrat 410 kann aus einem beliebigen der oben beschriebenen Halbleitermaterialien bestehen.
  • Das Halbleitersubstrat 410 enthält eine hoch dotierte erste Dotierungsregion 421 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der in dieser Ausführungsform vom p-Typ ist, die sich zu der ersten Fläche 411 des Halbleitersubstrats 410 erstreckt. Die erste Dotierungsregion 421 kann eine Flächendotierungskonzentration in einem Bereich von etwa 1015/cm3 bis etwa 1021/cm3 haben. Das Halbleitersubstrat 410 enthält eine zweite Dotierungsregion 422, die sich zu der zweiten Fläche 412 des Halbleitersubstrats 410 erstreckt. Die zweite Dotierungsregion 422 ist vom gleichen Leitfähigkeitstyp und kann die gleiche Dotierungskonzentration wie die erste Dotierungsregion 421 haben oder kann eine Flächendotierungskonzentration (eine Dotierungskonzentration an der zweiten Fläche 412) in einem Bereich von etwa 1015/cm3 bis etwa 1019/cm3 haben. In dieser Ausführungsform sind die erste und die zweite Dotierungsregion 421, 422 beide vom p-Typ.
  • Eine dritte Dotierungsregion 423 und eine vierte Dotierungsregion 424 sind zwischen der ersten und der zweiten Dotierungsregion 421, 422 angeordnet. Die dritte und die vierte Dotierungsregion 423, 424 sind beide vom n-Typ. Die dritte Dotierungsregion 423 ist hoch n-dotiert, während die vierte Dotierungsregion 424 die Hintergrund-Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats 410 haben kann, die niedriger ist als die Dotierungskonzentration der dritten Dotierungsregion 423.
  • Die in 4 veranschaulichte Struktur eignet sich zur Integration in einen Umfangsabschnitt eines vertikalen IGBT. Die erste Dotierungsregion 421 ist dann Teil einer Korpusregion, die zweite Dotierungsregion 422 ist dann Teil einer Emitterregion, die dritte Dotierungsregion 423 ist dann Teil einer Feldstoppschicht, und die vierte Dotierungsregion 424 ist dann Teil einer Driftregion des IGBT.
  • Eine amorphe halb-isolierende Schicht 430 wird ausgebildet auf, und bedeckt einen Teil der, ersten Dotierungsregion 421 an der ersten Fläche 411 des Halbleitersubstrats 410. Die amorphe halb-isolierende Schicht 430 steht in elektrischem Kontakt mit der ersten Dotierungsregion 421 und bildet mit ihr einen ohmschen Kontakt.
  • Eine erste Metallisierung 441 wird auf und in ohmschem Kontakt mit der amorphen halb-isolierenden Schicht 430 ausgebildet. Eine zweite Metallisierung 442 wird auf und in ohmschem Kontakt mit einem weiteren Teil der ersten Dotierungsregion 421 ausgebildet, die nicht durch die amorphe halb-isolierende Schicht 430 bedeckt ist.
  • Eine dritte Metallisierung 443 wird auf der zweiten Fläche 412 des Halbleitersubstrats 410 und in ohmschem Kontakt mit der zweiten Dotierungsregion 422 ausgebildet. Die erste, zweite und dritte Metallisierung 441, 442, 443 kann aus einem beliebigen der Metalle oder Metalllegierungen bestehen, wie oben beschrieben.
  • 4 veranschaulicht ein Halbleiterbauelement mit einem lateralen Strompfad zwischen der ersten und der zweiten Metallisierung 441, 442, die auf der gleichen Fläche des Halbleitersubstrats 410 angeordnet sind.
  • Wie in 4 veranschaulicht, ist eine Konstantstromquelle 445 mit der ersten und der zweiten Metallisierung 441, 442 verbunden, die hier jeweilige Anschlüsse eines Temperatursensors bilden, der durch die erste Dotierungsregion 421 und die amorphe halb-isolierende Schicht 430 gebildet wird. Die Konstantstromquelle 445 kann dafür ausgelegt werden, einen konstanten Strom zu liefern. Dann wird der Spannungsabfall an der ersten Dotierungsregion 421 und der amorphen halb-isolierenden Schicht 430 mit einem Spannungsmessgerät 446 gemessen. Wie oben beschrieben, hat die erste Dotierungsregion 421 eine Leitfähigkeit, die in der Regel deutlich höher ist als die Leitfähigkeit der amorphen halb-isolierenden Schicht 430, so dass die Größenordnung der elektrischen Spannung vor allem durch den Widerstandswert der amorphen halb-isolierenden Schicht 430 definiert wird. Da sich der Widerstandswert der amorphen halb-isolierenden Schicht 430 mit der Temperatur ändert, kann der detektierte Spannungsabfall, der im Wesentlichen linear zur Temperatur ist, als ein Maß zum Festlegen der Temperatur verwendet werden. Das wird weiter unten noch erläutert.
  • In den Strukturen, die in den oben erwähnten 1 bis 4 veranschaulicht sind, fließt der Strom vertikal durch die amorphe halb-isolierende Schicht, d. h. in der Dickenrichtung der amorphen halb-isolierenden Schicht. Der Temperatursensor kann so gestaltet werden, dass der Strom in der Bahnrichtung der amorphen halb-isolierenden Schicht fließt. Ein vertikaler Stromfluss in der Dickenrichtung der amorphen halb-isolierenden Schicht ist geeignet, da nur wenig Platz benötigt wird. Des Weiteren kann die Dicke der amorphen halb-isolierenden Schicht durch die Abscheidungsbedingungen gesteuert werden. Gemäß einer Ausführungsform werden darum elektrische Verbindungen auf der gegenüberliegenden Fläche der amorphen halb-isolierenden Schicht bereitgestellt. Die elektrischen Verbindungen können durch eine oder mehrere Metallisierungen und/oder durch eine oder mehrere Dotierungsregionen eines Halbleitersubstrats gebildet werden.
  • Die amorphe halb-isolierende Schicht 130, 230, 330, 430 der oben beschriebenen Ausführungsformen kann aus amorphem diamantartigen Kohlenstoff (DLC), amorphem Silizium oder amorphem Siliziumcarbid, wie zum Beispiel SixC1-x, mit 0 < x < 1 bestehen. Je nach den Abscheidungsbedingungen können die Schichten zusätzlich eine bestimmte Menge Wasserstoff (bis zu 60%) enthalten. Die gewünschten temperaturabhängigen Eigenschaften, die diese Materialien als ein temperaturdetektierendes Element geeignet machen, können entsprechend den konkreten Erfordernissen angepasst werden.
  • Mit Bezug auf die 5 bis 7 werden konkrete Ausführungsformen beschrieben, die eine Schicht aus amorphem diamantartigen Kohlenstoff enthalten, die als eine amorphe halb-isolierende Schicht verwendet wird. Die Schicht aus amorphem diamantartigen Kohlenstoff wird im Folgenden als eine DLC-Schicht bezeichnet.
  • Das elektrische Verhalten von amorphen halb-isolierenden Schichten, wie zum Beispiel einer DLC-Schicht, wird, ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, durch die Morphologie des Materials definiert. Amorphe Schichten besitzen eine hohe Dichte von Zuständen im sogenannten Mobilitätsabstand nahe dem Fermi-Niveau. Dies ist anders als bei monokristallinen oder polykristallinen Schichten. Obgleich diese Zustände ohne Weiteres geladen (gefüllt oder geleert) werden können, ist aufgrund der verringerten Mobilität der Ladungsträger, die durch ein beschränktes Variablenbereichsspringen auf dem Fermi-Niveau verursacht wird, nur ein kleiner Strom feststellbar. Aus diesem Grund wird das Material als halb-isolierend bezeichnet.
  • Beim Anlegen des elektrischen Feldes von hoher Stärke kann der Strom unverhältnismäßig ansteigen, und eine Feld-induzierte Emission von Ladungsträgern ist zu beobachten. Die Stromdichte j(E) gehorcht, ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, dem Poole-Frenkelschen Gesetz, das gegeben ist durch:
    Figure 00150001
    wobei j die Stromdichte ist, E die Stärke des elektrischen Feldes in der amorphen halb-isolierenden Schicht ist, k die Boltzmann-Konstante ist, T die absolute Temperatur ist, εr die relative Dielektrizitätskonstante der amorphen halb-isolierenden Schicht ist, ε0 die Konstante des elektrischen Feldes ist, q die Elementarladung ist und ϕ die Sperrhöhe für die gefangenen Ladungsträger ist.
  • Es wird angenommen, dass die Tiefe der Fallen, die der Sperrhöhe der Fallen entspricht, mit dem optischen Bandabstand der amorphen halb-isolierenden Schichten korreliert. Je höher der optische Bandabstand, desto höher die Sperrhöhe. Auf der Grundlage dieser Annahme, und bei Einführung eines Proportionalitätsfaktors σ0, kann die folgende Beziehung erhalten werden:
    Figure 00150002
  • Die Stärke des elektrischen Feldes in der amorphen halb-isolierenden Schicht folgt aus der Schichtdicke d und dem Spannungsabfall U über die Schichtdicke, und ist gegeben durch: E = U / d (3)
  • Durch Kombinieren der in den Gleichungen (3) und (2) definierten Beziehungen erhält man eine Strom-Spannung-Kennlinie für die amorphen halb-isolierenden Schichten bei höheren Feldstärken, bei denen ein Strom auf der Basis des Variablenbereichsspringens vernachlässigbar ist, und ist gegeben durch:
    Figure 00160001
  • Diese Beziehung wird zum Beschreiben der gemessenen Kennlinien verwendet, wie weiter unten noch erläutert wird. Eine lineare Beziehung wird erwartet, wenn man ln(j/U) als eine Funktion von √U bzw. ln(j/E) als eine Funktion von √E aufträgt. Unter Anwendung des Ohmschen Gesetzes j = σ·E kann die feldabhängige spezifische Leitfähigkeit σ(E) abgeleitet werden, und ist gegeben durch:
    Figure 00160002
  • Beziehung (5) besagt, dass es einen Bereich des elektrischen Feldes gibt, in dem die spezifische Leitfähigkeit je nach der Sperrhöhe ϕ zunimmt oder abnimmt, weil der Zähler im Exponenten positiv oder negativ sein kann. Das bedeutet, dass die amorphe halb-isolierende Schicht einen negativen Temperaturkoeffizienten in einem niedrigen Bereich der Stärke des elektrischen Feldes haben kann und einen positiven Temperaturkoeffizienten in einem hohen Bereich der Stärke des elektrischen Feldes haben kann. An einem bestimmten Punkt, an dem der Zähler null wird, verschwindet jede Temperaturabhängigkeit. Dieser Punkt ist definiert durch:
  • Figure 00160003
  • Um die amorphe halb-isolierende Schicht mit einem hohen Betriebsbereich und einem hohen Temperaturkoeffizienten zu versehen, wird das Material für die amorphe halb-isolierende Schicht so gewählt, dass es eine hinreichend große Sperrhöhe ϕ hat.
  • Wenn wir zum Beispiel einen gewünschten maximalen Spannungsabfall von 20 V, einen Wert εr = 5 und eine Schichtdicke von 100 nm annehmen, so sollte die Sperrhöhe ϕ mindestens 0,48 V betragen, um ein konstantes NTC-Verhalten der amorphen halb-isolierenden Schicht über den gesamten Spannungsbereich bis 20 V zu erhalten. Gemäß einer Ausführungsform hat die amorphe halb-isolierende Schicht eine Sperrhöhe von mindestens 0,3 eV. Gemäß einer Ausführungsform hat die amorphe halb-isolierende Schicht eine Sperrhöhe in einem Bereich von etwa 0,3 bis 1 eV. Gemäß weiteren Ausführungsformen hat die amorphe halb-isolierende Schicht eine Sperrhöhe in einem Bereich von etwa 0,5 eV bis etwa 1 eV. Gemäß weiteren Ausführungsformen hat die amorphe halb-isolierende Schicht eine Sperrhöhe in einem Bereich von etwa 0,5 eV bis etwa 0,8 eV.
  • Die oben erwähnten gewünschten Materialeigenschaften können zum Beispiel durch zweckmäßige Auswahl der Abscheidungsbedingungen beim Ausbilden der amorphen halb-isolierenden Schicht eingestellt werden. Für die Herstellung wird eine amorphe halb-isolierende Schicht zum Beispiel auf einer Fläche eines Halbleitersubstrats oder einem anderen geeigneten Substrat, das in der Regel leitfähig ist, abgeschieden. In einem weiteren Prozess wird die abgeschiedene amorphe halb-isolierende Schicht geglüht (engl. annealed). Ein typischer Glühtemperaturbereich ist zum Beispiel zwischen 300°C und 600°C.
  • Die amorphe halb-isolierende Schicht kann zum Beispiel durch Plasmaverstärkte Chemische Dampfabscheidung (PECVD) abgeschieden werden. Weitere Parameter zum spezifischen Anpassen des elektrischen Verhaltens der amorphen halb-isolierenden Schicht sind Druck, HF-Leistung, die während der Abscheidung verwendet wird, die Gasströmungsraten der verwendeten Gase, die Gleichstromvorspannung (engl. DC-bias) in dem Plasma, die selbstjustierend ist, und die Dotierungskonzentration.
  • Zum Beispiel können die folgenden Parameter gewählt und zum Abscheiden einer DLC-Schicht verwendet werden. Die Abscheidung einer entsprechenden DLC-Schicht kann zum Beispiel in einer PECVD-Kammer gebildet werden, wo die HF-Leistung kapazitiv an eine Frequenz von 13,56 MHz gekoppelt ist. Das Verhältnis von Anoden- und Katodenfläche bestimmt die Gleichstromvorspannung in dem Plasma. Die Gleichstromvorspannung wächst mit zunehmendem Flächenverhältnis bzw. zunehmender HF-Leistung, während ein Druckanstieg den gegenteiligen Effekt hat. Jeder gasförmige Kohlenwasserstoff wie Methan kann als ein geeigneter Vorläufer verwendet werden. Typische Prozessbedingungen für das Abscheiden auf einem Wafer mit 6 Inch Durchmesser können zum Beispiel sein: eine Strömungsrate von 150 sccm, ein Druck von 80 mTorr und eine HF-Leistung von 200 Watt. Der Selbstvorspannwert in dem Plasma pegelt sich in der Regel auf etwa –350 V ein. Die Gleichstromvorspannung hat eine direkte Auswirkung auf den optischen Bandabstand und den spezifischen Widerstand der DLC-Schicht, die bei abnehmender Selbstvorspannung größer werden. Gemäß einer Ausführungsform wird die Gleichstromvorspannung auf einen Bereich von etwa –100 V bis etwa –1000 V justiert. Gemäß einer Ausführungsform wird die Gleichstromvorspannung auf einen Bereich von etwa –200 V bis etwa –500 V justiert. Gemäß einer Ausführungsform wird die HF-Leistung auf einen Bereich von etwa 50 W bis etwa 1200 W justiert. Gemäß einer Ausführungsform wird die HF-Leistung auf einen Bereich von etwa 100 W bis etwa 800 W justiert.
  • Die Auswahl der Schichtdicke richtet sich nach dem gewünschten Widerstandswert. Gemäß einer Ausführungsform kann ein typischer Bereich zwischen 10 nm und 1 µm liegen. Andererseits können die Abscheidungsparameter variiert werden, um den spezifischen Widerstand bei einer festen Schichtdicke zu verändern. Ein typischer Bereich für die Strömungsrate ist von 50 bis 300 sccm, für den Druck von 10 bis 300 mTorr und für die Leistung von 50 bis 1200 Watt.
  • Solche ausgebildeten DLC-Schichten haben einen Widerstandswert mit einer guten Linearität und einen hohen Temperaturkoeffizienten, wodurch sie sich als temperaturdetektierendes Element eignen. Gemäß einer Ausführungsform hat die amorphe halb-isolierende Schicht einen elektrischen Widerstandswert, der mit Bezug auf die Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen –40 und 250°C erheblich linear schwankt.
  • Gemäß einer Ausführungsform beträgt die spezifische Leitfähigkeit σ der amorphen halb-isolierenden Schicht etwa 10–3/Ωcm bis etwa 10–15/Ωcm. Gemäß einer Ausführungsform beträgt die spezifische Leitfähigkeit σ der amorphen halb-isolierenden Schicht etwa 10–8/Ωcm bis etwa 10–12/Ωcm.
  • Die unten beschriebenen Messungen wurden unter Verwendung eines Prüfstücks ausgeführt, auf dem eine 300 nm dicke DLC-Schicht auf einer vorderen Seite oder ersten Fläche eines hoch p-dotierten Si-Substrats mit einem spezifischen Widerstand von etwa 5 mΩcm abgeschieden war. Ein Metallkontakt mit einem Durchmesser von etwa 1 mm (wobei der Metallkontakt der oben beschriebenen ersten Metallisierung entspricht) wurde auf der DLC-Schicht gebildet und bestand aus einem Ti/Pt/Au-Schichtstapel. Eine größere Al-Schicht wurde auf der Rückseite oder zweiten Fläche des Si-Substrats abgeschieden und diente als die oben beschriebene zweite Metallisierung. Die für die Messungen verwendete Struktur entspricht im Wesentlichen der in 1 veranschaulichten Struktur.
  • Das Bereitstellen eines Si-Substrats mit einer hohen Dotierungskonzentration ist wünschenswert, um das Entstehen einer Sperr- oder Erschöpfungsschicht an dem amorph-kristallinen Übergang, der zwischen der amorphen DLC-Schicht und dem monokristallinen Si-Substrat gebildet wird, zu verhindern. Dadurch kann die Richtung des anzulegenden Stromes frei gewählt werden. Es kann daher eine symmetrische Kennlinie mit Bezug auf den Strom erhalten werden, was für die Beurteilungselektronik von Vorteil ist, die dafür verwendet wird, den Stromfluss durch die DLC-Schicht zu beurteilen. Darüber hinaus weist das hoch dotierte Si-Substrat nur einen vernachlässigbaren Spannungsabfall auf.
  • Alternativ kann ein Halbleitersubstrat mit einer niedrigen Hintergrunddotierung verwendet werden. Um das Entstehen einer parasitischen Sperr- oder Erschöpfungsschicht zwischen der DLC-Schicht und dem Halbleitersubstrat zu verhindern und eine gute ohmsche Verbindung zu der rückseitigen Metallisierung zu erhalten, können hoch dotierte Dotierungsregionen vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat auf der Vorder- und der Rückseite des Halbleitersubstrats ausgebildet werden. Eine entsprechende Struktur ist in 2 veranschaulicht. Der Spannungsabfall am Halbleitersubstrat, der durch das schwach dotierte Halbleitersubstrat verursacht wird, ist in der Regel im Vergleich zu dem Spannungsabfall an der DLC-Schicht klein.
  • Die Strom-Spannung-Kennlinien des oben erwähnten Prüfstücks, die bei verschiedenen Temperaturen gemessen wurden, sind in 5 gezeigt. Die spezifische Leitfähigkeit und die Sperrhöhe ϕ wurden durch Anwenden der oben beschriebenen Abscheidungsbedingungen angepasst. Genauer gesagt, wurde die DLC-Schicht mit Si in einem Bereich von etwa 30 bei-% dotiert, wobei bei-% den Anteil relativ zur Anzahl der Atome meint. Die gemessenen Kennlinien weisen einen im Wesentlichen linearen Verlauf bzw. eine im Wesentlichen lineare Kurve auf, wenn σ als eine Funktion von √E aufgetragen wird, wie in 6 veranschaulicht. Dies zeigt, dass das Leitungsverhalten der DLC-Schicht durch das Poole-Frenkelsche Gesetz, wie oben dargelegt, definiert wird.
  • In 6 wird σ = j/E als eine Funktion von √E aufgetragen. Die durchgezogenen Linien wurden gemäß Gleichung (5) berechnetet und eingepasst. Im Interesse einer besseren Übersichtlichkeit sind nur zwei Kennlinien, die für verschiedene Temperaturen gemessen wurden, in 6 dargestellt.
  • Die beste Einpassung für alle Kurven, die für verschiedene Temperaturen erhalten wurden, erbrachte folgende Parameter: σ0 = 7,5·10–6/Ωcm, εr = 5,2 und ϕ = 0,63V. Bei niedriger Feldstärke nimmt der Einfluss der feldstärkeunabhängigen Sprungleitung, oder der sogenannten Phonon-unterstützten Tunnelung, zu, was die Abweichung zwischen den gemessenen Werten und die Einpassung bei niedriger Feldstärke erklärt. Bei hoher Feldstärke ist hingegen eine gute Korrelation zwischen dem Poole-Frenkelschen Gesetz und den gemessenen Werten festzustellen. Die DLC-Schicht sollte darum im richtigen Bereich des elektrischen Feldes betrieben werden, der durch die Sperre ϕ definiert wird, die durch zweckmäßige Auswahl der Abscheidungsbedingungen eingestellt werden kann.
  • Der Temperaturkoeffizient kann kleiner werden, wenn das elektrische Feld weiter verstärkt wird, da sich die geraden Linien, die zum Einpassen verwendet werden, an einem bestimmten Punkt treffen. Der Schnittpunkt liegt für diese konkrete Ausführungsform bei E = 3,6·106V/cm, wenn Gleichung (6) verwendet wird.
  • Kehren wir zu 5 zurück. Wenn zum Beispiel bei einer Spannung von etwa 30V gearbeitet wird, so variiert die spezifische Leitfähigkeit j mit einem Faktor von etwa 100 zwischen 25°C und 200°C, was für viele Anwendungen geeignet ist, wie zum Beispiel das Überwachen der Temperatur einer Leistungskomponente.
  • Der temperaturabhängige Spannungsabfall ist als eine Funktion der Temperatur für Stromdichten von 10–4 A/cm2 und 10–2 A/cm2 in 7 aufgetragen. Beide Plots zeigen eine sehr gute Linearität über einen Temperaturbereich zwischen 25°C und 200°C. Des Weiteren ist der Temperaturkoeffizient der DLC-Schicht in diesem Bereich im Grunde konstant und hat einen vergleichsweise hohen Wert von etwa –120 mV/°C, was viel höher ist als der Temperaturkoeffizient eines Pt100-Widerstandes oder eines pn-Übergangs. Dies erlaubt eine viel höhere Temperaturauflösung. Der Spannungsabfall variiert, je nach angelegter Stromdichte, zwischen etwa 10 V und 30 V bzw. zwischen etwa 33 V und 53 V.
  • Gemäß einer Ausführungsform hat die amorphe halb-isolierende Schicht einen Temperaturkoeffizienten von mindestens 10 mV/°C und insbesondere von mindestens 20 mV/°C.
  • Die obigen Messergebnisse zeigen, dass eine amorphe DLC-Schicht, im Gegensatz zu polykristallinen oder monokristallinen DLC-Schichten, als ein temperaturdetektierendes Element geeignet ist. Solche hergestellten amorphen DLC-Schichten sind so konfiguriert, dass sie eine große Sperrhöhe haben, um einen hohen Temperaturkoeffizienten über einen großen Betriebsbereich zu erzeugen. Die amorphen halb-isolierenden Schichten sind insbesondere so konfiguriert, dass sie ein lineares NTC-Verhalten über den gewünschten Betriebsbereich mit einem hohen und im Wesentlichen konstanten Temperaturkoeffizienten besitzen.
  • Der Betriebsbereich kann außerdem durch zweckmäßige Auswahl der Dicke der DLC-Schicht angepasst werden. Wenn die Dicke der DLC-Schicht geändert wird, während die Stromdichte konstant gehalten wird, so verändert sich der Spannungsabfall und ebenso der Temperaturkoeffizient. Wenn wir als ein veranschaulichendes Beispiel annehmen, dass sich die Schichtdicke von 300 nm auf 100 nm verringert, bei einem ansonsten konstanten Strom von 1 mA und einer aktiven Fläche beider DLC-Schichten (eine 100 nm dicke Schicht und eine 300 nm dicke Schicht) von etwa 1 mm2, so verändert sich der Spannungsabfall von einem Bereich von etwa 48 V bis 69 V für die 300 nm dicke Schicht zu einem Bereich von etwa 16 bis 23 V für die 100 nm dicke Schicht im Temperaturbereich von etwa 25°C bis etwa 200°C. Der Temperaturwert nimmt ebenfalls um etwa einen Faktor 3 ab, d. h. von etwa 120 mV/°C auf etwa 40 mV/°C.
  • Im Vergleich zu Temperatursensoren, die den Vorwärts-Spannungsabfall eines pn-Übergangs verwenden, kann der Temperaturkoeffizient der amorphen halb-isolierenden Schicht so angepasst werden, dass er hinreichend konstant ist, so dass die amorphe halb-isolierende Schicht eine Temperaturdetektionsempfindlichkeit haben kann, die mindestens um einen Faktor 10 höher ist. Darüber hinaus kann die Serienstreuung klein gehalten werden. Insbesondere können der optische Bandabstand, der mit der Sperrhöhe korreliert, die Dielektrizitätskonstante und die Dicke auf einen gewünschten Bereich gesteuert werden. Dies erlaubt die Fertigung von Temperatursensoren mit kleinen Abweichungen zwischen separat hergestellten Sensoren und erlaubt die Anwendung separater Kalibrierungen.
  • Die obigen Ausführungsformen sind zwar ausdrücklich in Verbindung mit Si beschrieben worden, doch es können auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden, die oben erwähnt wurden, wie zum Beispiel SiC, GaAs oder GaN.
  • Zum Herstellen diskreter Temperatursensoren kann die amorphe halb-isolierende Schicht auf einem Halbleitersubstrat abgeschieden werden, gefolgt von der Bildung von Metallschichten auf der halb-isolierenden Schicht und der gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats und anschließendem Trennen zu einzelnen Bauelementen. Alternativ kann jede der oben beschriebenen Strukturen in einem Chip-Design einer Leistungskomponente oder eines integrierten Schaltkreises integriert werden. Dies ist besonders für Bauelemente von Vorteil, die bereits eine DLC-Schicht enthalten, die als Randabeschluss verwendet wird. Ein Temperatursensor kann zum Beispiel in einer inaktiven Region des Chips angeordnet werden.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen im vorliegenden Text beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nichts ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
  • Räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unter”, „unten”, „niedriger”, „über”, „oben” und dergleichen, werden zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines bestimmten Elements relativ zu einem zweiten Element zu erklären. Diese Begriffe sollen auch andere Ausrichtungen des Bauelements umfassen als jene, die in den Figuren dargestellt sind. Des Weiteren werden auch Begriffe wie zum Beispiel „erster”, „zweiter” und dergleichen zum Beschreiben verschiedener Elemente, Regionen, Abschnitte usw. verwendet, die ebenfalls nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen sind. Gleiche Elemente werden in der gesamten Beschreibung mit gleichen Begriffen bezeichnet.
  • Im Sinne des vorliegenden Textes sind die Begriffe „aufweisen”, „enthalten”, „umfassen” und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein von angegebenen Elementen oder Merkmalen bezeichnen, aber weitere Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein” und „der, die, das” schließen sowohl die Einzahl- als auch die Mehrzahlbedeutung ein, sofern der Kontext nicht eindeutig ein anderes Verständnis verlangt.
  • Unter Berücksichtigung der oben dargelegten Bandbreite der Variationen und Anwendungen versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorangegangene Beschreibung noch durch die beiliegenden Zeichnungen eingeschränkt wird. Vielmehr wird die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre gesetzlichen Äquivalente beschränkt.

Claims (24)

  1. Halbleiterbauelement, das Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat (110, 210); und eine amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) auf dem Halbleitersubstrat (110, 210).
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) einen elektrischen Widerstandswert mit einem negativen Temperaturkoeffizienten hat.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) einen elektrischen Widerstandswert hat, der mit Bezug auf die Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen –40°C und 250°C im Wesentlichen linear variiert.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) einen optischen Bandabstand von etwa 0,8 eV bis etwa 3 eV hat.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) eine Sperrhöhe (ϕ) in einem Bereich von etwa 0,3 eV bis 1,0 eV hat.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das des Weiteren Folgendes umfasst: eine Dotierungsregion (221), die in dem Halbleitersubstrat (110, 210) ausgebildet ist, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) in ohmschem Kontakt mit der Dotierungsregion (221) steht; und eine Metallisierung (141, 241) in ohmschem Kontakt mit der amorphen halb-isolierenden Schicht (130, 230), wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) eine elektrische Verbindung zwischen der Metallisierung und der Dotierungsregion (221) herstellt.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, wobei die Dotierungsregion (221) eine Dotierungskonzentration von mindestens 1·1015/cm3 hat.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) eine Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff ist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das des Weiteren Folgendes umfasst: einen aktiven Bereich und einen Randbereich, der den aktiven Bereich umgibt; einen Randabeschluss, der in dem Randbereich ausgebildet ist, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) in dem Randbereich ausgebildet ist.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei: der Randabeschluss eine Schicht umfasst, die aus diamantartigem Kohlenstoff besteht; und die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) aus diamantartigem Kohlenstoff besteht.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) von dem Randabeschluss beabstandet ist.
  12. Temperatursensor, der eine amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) umfasst.
  13. Temperatursensor nach Anspruch 12, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) aus diamantartigem Kohlenstoff besteht.
  14. Temperatursensor nach Anspruch 12 oder 13, der des Weiteren Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat (110, 210), das eine erste Fläche (111, 211) und eine erste Dotierungsregion (221) umfasst, die auf der ersten Fläche (111, 211) angeordnet ist, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) auf und in ohmschem Kontakt mit der ersten Dotierungsregion (221) angeordnet ist; und eine erste Metallisierung (141, 241) auf und in ohmschem Kontakt mit der amorphen halb-isolierenden Schicht (130, 230).
  15. Temperatursensor nach Anspruch 14, wobei die erste Dotierungsregion (221) eine Dotierungskonzentration von mindestens 1·1015/cm3 aufweist.
  16. Temperatursensor nach Anspruch 14 oder 15, der des Weiteren eine zweite Metallisierung (142, 242) auf und in ohmschem Kontakt mit der ersten Dotierungsregion (221) umfasst, wobei die erste und die zweite Metallisierung (141, 241, 142, 242) voneinander beabstandet sind.
  17. Temperatursensor nach Anspruch 14 oder 15, der des Weiteren eine zweite Metallisierung (142, 242) auf und in elektrischem Kontakt mit einer zweiten Fläche (112, 212) des Halbleitersubstrats (110, 210) umfasst.
  18. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (110, 210); und Ausbilden einer amorphen halb-isolierenden Schicht (130, 230) auf dem Halbleitersubstrat (110, 210).
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) auf dem Halbleitersubstrat (110, 210) abgeschieden wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) auf dem Halbleitersubstrat (110, 210) durch Plasmaabscheidung mit einer Gleichstromvorspannung in einem Bereich von etwa –100 V bis etwa –1000 V abgeschieden wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die amorphe halb-isolierende Schicht (130, 230) auf dem Halbleitersubstrat (110, 210) durch Plasmaabscheidung mit einer HF-Leistung in einem Bereich von etwa 50 W bis etwa 1200 W abgeschieden wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, das des Weiteren das Glühen der amorphen halb-isolierenden Schicht (130, 230) umfasst.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, das des Weiteren Folgendes umfasst: Ausbilden einer ersten Dotierungsregion (221) in dem Halbleitersubstrat (110, 210); Ausbilden der amorphen halb-isolierenden Schicht (130, 230) auf einem Abschnitt der ersten Dotierungsregion (221); Ausbilden einer ersten Metallisierung (141, 241) auf und in ohmschem Kontakt mit der amorphen halb-isolierenden Schicht (130, 230); und Ausbilden einer zweiten Metallisierung (142, 242) auf und in ohmschem Kontakt mit der ersten Dotierungsregion (221).
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, das des Weiteren Folgendes umfasst: Ausbilden einer ersten Dotierungsregion (221) auf einer zweiten Fläche (112, 212) des Halbleitersubstrats (110, 210); Ausbilden der amorphen halb-isolierenden Schicht (130, 230) auf der ersten Dotierungsregion (221); Ausbilden einer ersten Metallisierung (141, 241) auf und in ohmschem Kontakt mit der amorphen halb-isolierenden Schicht (130, 230); Ausbilden einer zweiten Dotierungsregion (222) auf einer zweiten Fläche (112, 212) des Halbleitersubstrats (110, 210); und Ausbilden einer zweiten Metallisierung (142, 242) auf und in ohmschem Kontakt mit der zweiten Dotierungsregion (222).
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