DE102012223833A1 - Bidirektional sperrender Halbleiterschalter und zugehörige Leistungsschaltstufe in einem Fahrzeug - Google Patents

Bidirektional sperrender Halbleiterschalter und zugehörige Leistungsschaltstufe in einem Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen bidirektional sperrenden Halbleiterschalter (1) mit einem ersten Material (M1) aus der Gruppe III-Nitride und einem zweiten Material (M2) aus der Gruppe III-Nitride, wobei die beiden Materialien (M1, M2) unterschiedliche Bandabstände (EG,M1, EG,M2) aufweisen, und wobei an einer Grenzfläche zwischen den beiden Materialien (M1, M2) ein leitfähiger Kanal (11, 15) ausgebildet ist, sowie eine korrespondierende Leistungsschaltstufe mit mindestens einem solchen bidirektional sperrenden Halbleiterschalter (1). Erfindungsgemäß ist der bidirektional sperrende Halbleiterschalter (1) als selbst sperrende Multi-Quantenwell-Struktur ausgeführt, welche einen Stapel mit mindestens zwei Schichten (10, 14) aus dem ersten Material (M1) der Gruppe III-Nitride und mit mindestens zwei Schichten (12, 16) aus dem zweiten Material (M2) der Gruppe III-Nitride umfasst, wobei die Schichten (10, 12, 14, 16) abwechselnd angeordnet sind, so dass sich an deren Grenzflächen mindestens zweit leitfähige Kanäle (11, 15) ausbilden, wobei der Stapel auf einer Schicht (18) aus einem dritten Material (M3) aus der Gruppe III-Nitride gesetzt ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem bidirektional sperrenden Halbleiterschalter nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und von einer zugehörigen Leistungsschaltstufe in einem Fahrzeug mit mindestens einem bidirektional sperrenden Halbleiterschalter.
  • Derzeit werden im Fahrzeugbetrieb viele elektrische Lasten mit Hilfe von Relais von ihrer elektrischen Versorgung getrennt. Diese galvanische Trennung stellt eine bidirektionale elektrische Trennung dar, was für eine Vielzahl von Anwendungen einen entscheidenden Vorteil im Vergleich zu konventionellen Silizium basierenden Schaltern darstellt, da diese „nur unidirektional" sperren. Im Vergleich der Lasttrennung der Relais mit Halbleiter ist die Schaltzahl der Relais aufgrund des mechanischen Verschleißes geringer. Hinzu kommt ein weiterer verschleißender Faktor für das aktive Abschalten einer Last. In diesem Betriebsfall können insbesondere bei induktiven Lasten im Relais unangenehme Effekte, wie die Zündung eines Plasmas zwischen den Kontaktbrücken, auftreten. In Extremfällen kommt es zu einer Kontaktschweißung, wodurch dauerhaft eine falsche Schalterstellung eingestellt werden kann. Ähnliche Effekte geschehen beim Einschalten der Lasten, da die Kontakte im Schaltvorgang derart viel kinetische Energie sammeln können, sodass sie sich mehrere Male kurz von der Kontaktplatte abheben können (Kontaktprellen).
  • Generell sind die Übertragungsverluste von Relais geringer als die der Halbleiter, wobei die technologischen Weiterentwicklungen der Halbleiterhersteller bereits Serienwiderstände ermöglichen, welche in der gleichen Größenordnung wie die der Relais liegen. Die Relais haben Nachteile bezüglich ihrer Größe und ihrer Entwärmung gegenüber Halbleiterschalter. Zusätzlich kann die elektrische Anbindung der Relais Mehraufwand verursachen (z.B. Schweißen).
  • Neuartige Halbleitermaterialien besitzen aufgrund ihres großen Bandabstandes bei Raumtemperatur isolierende Eigenschaften. Hierbei sind insbesondere die Bauelemente der Gruppe III-Nitride zu nennen. Diese isolierenden Eigenschaften führen dazu, dass die realisierten Bauelemente als horizontale Bauelemente realisiert werden. In dieser Konstellation (isolierendes Substrat und horizontales Bauelement) weisen diese Bauelemente eine bidirektional sperrende Eigenschaft im abgeschnürten oder auch sperrenden Betriebsfall auf. Ein Nachteil dieser Bauelemente besteht in der elektrischen Eigenschaft, dass diese Bauelemente selbstleitend sind. Dadurch ist Ihr Einsatz insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen erschwert. Lösungsansätze sind die Ladungsträgerreduktion des Kanals durch einen Gate-Recess. Dieser erfordert wiederum, dass für ein völliges Aufsteuern des Schalters dieser in Vorwärtsrichtung gepolt werden muss, was je nach Bauteiltyp zu einem signifikanten Ansteuerstrom führt. Alternativ können isolierende Oxidschichten eingeführt werden. Diese führen zu einem so genannten „Current Slump“, welcher die Bauteile, insbesondere im Bereich von Leistungsanwendungen, in den Einschaltfällen vor zu hohen Strömen schützt.
  • In der DE 11 2005 000 223 T5 wird eine III-nitrierte Vorrichtung zur Betriebsartverbesserung eines Feldeffekttransistor (FET) beschrieben. Der beschriebene Feldeffekttransistor besteht aus einer Oberschicht aus III-nitriertem Material, das über einer Unterschicht aus III-nitriertem Material gebildet wird. Die zwei III-nitrierten Materialien weisen unterschiedliche Gate-Konstanten in der Ebene oder verschiedenen Bandabstände auf. Der beschriebene Feldeffekttransistor kann hohe Stromstärken leiten bedingt durch die Art des III-nitrierten Materialsystems. Die Vorrichtung umfasst eine Schrankenschicht aus Aluminium-Gallium-Nitrid, das auf einer Kanalschicht angeordnet wird, um ein zweidimensionales Elektronengas einzuleiten, welches eine große Anzahl von Elektronen in dem Kanal bildet und dadurch die elektrischen Leitungseigenschaften des Kanals verbessert. Bedingt durch das Vorhandensein des zweidimensionales Elektronengases, gebildet an der Schnittstelle zwischen der Aluminium-Gallium-Nitrid-Schicht und der Gallium-Nitrid-Schicht, ist diese Vorrichtung grundsätzlich eingeschaltet, bedingt durch das Vorhandensein des Kanals, welcher die Leitung zwischen dem Source und Drain Elektroden ermöglicht. Ohmsche Kontakte fungieren als Verbindung zwischen den Source und Drain Elektroden. Die Vorrichtung kann durch eine Modifizierung (Gate-Recess), welche die Dichte des zweidimensionalen Elektronengases verändert, als ausgeschaltet fungieren. Die beschriebenen III-nitrierte Vorrichtungen verfügen über den Vorteil der symmetrischen Eigenschaften für die Erstellung eines bidirektionalen Schalters, welcher nominell ausgeschaltet ist und die Spannung in beiden Richtungen blockieren kann, ohne dabei den Waferbereich zu opfern.
  • In der DE 10 2007 008 264 A1 wird eine Schaltungsanordnung mit einem bidirektional sperrenden Halbleiterrelais beschreiben. Das bidirektional sperrende Halbleiterrelais ist ein selbstsperrender MOS-Feldeffekttransistor, dessen Bulk-Kontakt von einem Source-Kontakt getrennt ist und auf festem Potential liegt. Die bidirektional sperrende Feldeffekttransistoranordnung kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug als Schaltrelais eingesetzt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße bidirektional sperrende Halbleiterschalter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine elektrische Abschaltung/Trennung einer elektrischen Last entsprechend der Funktionsweise eines klassischen Relais ermöglicht wird. Dabei ist eine bidirektionale Trennung, wie sie, abgesehen von Relais oder der in der DE 11 2005 000 223 T5 beschriebenen Vorrichtung, derzeit nur durch den Einsatz mehrerer Halbleiter für sicherheitskritische Anwendungen erzielt werden kann, mit nur einem erfindungsgemäßen Halbleiterschalter möglich. Gleichzeitig werden geringere Serienverluste der Abschaltvorrichtung, respektive höhere Effizienz und reduzierte Verlustleistung aufgrund des Einsatzes von erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschaltern erzielt. Ausführungsformen des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters sind als selbst sperrende Multi-Quanten-Well-Strukturen aufgebaut. Somit werden im Gegensatz zu der in der DE 11 2005 000 223 T5 beschriebenen Vorrichtung die erfindungsgemäßen Eigenschaften durch mehrere geschichtete Kanäle in Form von Multi-Quanten-Well-Strukturen und eines gezielten Einstellens der ternären Komposition des Halbleiters (Band-Gap Engineering) anstelle eines „Gate-Recess“ erzielt.
  • Die Verwendung von „Isolatoren" als Basismaterial für die Schalterherstellung impliziert, dass der gesamte Schalteraufbau (inklusive Bulk-Material), abgesehen von den aufgrund von Piezoeigenschaften eigens generierten leitfähigen Kanälen, extrem hochohmige Eigenschaften aufweist. Folglich kann, mit Ausnahme der dafür vorgesehenen Grenzflächen, kein Strom fließen, weshalb ungewollte Effekte wie z.B. der Punch Through Effekt nicht mehr auftreten können. Daher muss das Bulk-Material nicht mit dem Source-Kontakt verbunden werden und die Body-Diode wird nicht angeschlossen. Eine alternative Verbindung der Kontakte ist nicht schädigend, da ohnehin das Bulk-Material isolierend ist. Man erhält damit einen bidirektional sperrenden Schalter. Weitere Vorteile der Gruppe III Nitride ergeben sich dadurch, dass sie als Wide-Bandgap-Materialien eingestuft werden können. Dieses Materialsystem bietet bei hohen Sperrspannungen einen gleichzeitig reduzierten Durchlasswiderstand im Vergleich zu Silizium. Zudem können diese Materialien auf bestehende Siliziumsubstrate abgeschieden werden, weshalb eine vergleichbare Preisbildung stattfindet.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen bidirektional sperrenden Halbleiterschalter zur Verfügung, welcher ein erstes Material aus der Gruppe III-Nitride und ein zweites Material aus der Gruppe III-Nitride umfasst, wobei die beiden Materialien unterschiedliche Bandabstände aufweisen, und wobei an einer Grenzfläche zwischen den beiden Materialien ein leitfähiger Kanal ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist der Halbleiterschalter als selbst sperrende Multi-Quantenwell-Struktur ausgeführt, welche einen Stapel mit mindestens zwei Schichten aus dem ersten Material der Gruppe III-Nitride und mit mindestens zwei Schichten aus dem zweiten Material der Gruppe III-Nitride umfasst, wobei die Schichten abwechselnd angeordnet sind, so dass sich an deren Grenzflächen mindestens zweit leitfähige Kanäle ausbilden. Der Stapel ist auf einer Schicht aus einem dritten Material aus der Gruppe III-Nitride gesetzt.
  • Ausführungsformen des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters werden vorzugsweise in Leistungsschaltstufe mit mindestens einer Versorgungsleitung eingesetzt. So können beispielsweise zwei bidirektional sperrende Halbleiterschalter als Sternpunkthalbleiterrelais in einer Sternpunktschaltung mit drei Versorgungsleitungen eines Elektromotors mit drei Wicklungen eingesetzt werden. Alternativ können zwei bidirektional sperrende Halbleiterschalter als Phasentrennhalbleiterrelais in einem System mit drei Versorgungsleitungen eines Elektromotors mit drei Wicklungen eingesetzt werden. Zudem kann jeweils ein bidirektional sperrender Halbleiterschalter als Batterietrennhalbleiterrelais für eine Versorgungsleitung einer korrespondierenden Batterie eingesetzt werden. Das bedeutet, dass beispielsweise zwei bidirektional sperrende Halbleiterschalter als Batterietrennhalbleiterrelais in einem System mit zwei Versorgungsleitungen von zwei Batterien eingesetzt werden können usw.
  • Die bidirektional sperrende Eigenschaften des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters ermöglichen beispielsweise die Einsparung von 33% der Materialkosten bei einem Sternpunktrelais oder einem Phasentrennrelais bzw. 50% der Materialkosten für ein Batterietrennrelais. Zudem kann bei Systemen mit mehreren Versorgungsleitungen ein aktiver Verpolschutz kombiniert mit der Auswahl einer aktiven Versorgungsleitung, insbesondere bei größeren Leistungsaufnahmen mit nur einer Endstufe pro Leitung realisiert werden, was zu einer Materialersparnis von 50% führt.
  • Die Fähigkeit, auch höhere Spannungen bis zu mehreren hundert Volt zu schalten, ermöglicht den Einsatz des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters als Versorgungsschalter z.B. für Solarwechselrichter. Diese sind gesetzlich vorgeschrieben und werden derzeit durch kostenintensive mechanische Relais realisiert.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters und der im unabhängigen Patentanspruch 7 angegebenen Leistungsschaltstufe möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass die Bandabstände der drei Materialien die Bedingung erfüllen, dass ein erster Bandabstand des ersten Materials größer als ein zweiter Bandabstand des zweiten Materials ist, und dass der zweite Bandabstand des zweiten Materials kleiner als ein dritter Bandabstand des dritten Materials ist.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters sind basierend auf piezoelektrischen Eigenschaften des ersten Materials aus der Gruppe III-Nitride und des zweiten Materials aus der Gruppe III-Nitride in Kombination mit dem Offset zwischen dem ersten Bandabstand des ersten Materials aus der Gruppe III-Nitride und dem zweiten Bandabstand des zweiten Materials aus der Gruppe III-Nitride Ladungsträger in den leitfähigen Kanälen erzeugbar, wobei die Schicht aus dem dritten Material eine Potentialsperre für die Ladungsträger ausbildet.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters ist die Ladungsmenge in den leitfähigen Kanälen durch eine Kanalhöhe vorgebbar welche über mindestens einen Parameter beeinflussbar ist.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters können die Materialien aus der Gruppe III-Nitride ternäre Halbleiter oder quaternäre Halbleiter gewählt werden. So kann beispielsweise als erstes Material aus der Gruppe III-Nitride Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN), als zweites Material aus der Gruppe III-Nitride kann Gallium-Nitrid und als drittes Material aus der Gruppe III-Nitride können Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN) oder Gallium-Nitrid (GaN) verwendet werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Bänderdiagramms des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters aus 1.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung der Durchlassverluste über verschiedene Materialsysteme.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters als Sternpunkthalbleiterrelais.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters als Phasentrennhalbleiterrelais.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters als Batterietrennhalbleiterrelais.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Für die Abschaltung elektrischer Lasten werden häufig Relais verwendet, da diese als nahezu ideale Schalter fungieren und bidirektional den Stromfluss sperren können. Die Anforderung des bidirektional sperrenden Schalters ist insbesondere im Kraftfahrzeug von Bedeutung, da hier sicherheitsrelevante Anforderungen (z.B. Bremsmoment bei einer defekten Lenkung) als auch Sonderbetriebszustände (z.B. Verpolung) real auftreten, und die hieraus resultierenden Anforderungen ausschließlich durch eine bidirektionale Trennung erfüllt werden können. Oftmals sind die Einbaubedingungen, inbesondere im Kraftfahrzeug, derart anspruchsvoll, dass mechanische Relais nicht eingesetzt werden können. Anwendungen dieser Art werden daher mit Hilfe von Silizium basierenden Feldeffekttransistor-Strukturen realisiert. Siliziumbasierte Feldeffekttransistor-Strukturen besitzen unabhängig von einer planaren oder vertikalen Ausführung eine parallel zum Drain-Anschluss und Source-Anschluss geschaltete Diode, die auch als Body-Diode bezeichnet wird, deren Anode am Source-Anschluss angeordnet ist. Die Ursache hierfür liegt im internen Aufbau der Halbleiterschalter begründet. Hier gibt es „potentialfreie" Siliziumflächen (Bulk-Material). Um ungewollte Effekte, wie beispielsweise Punch-Through zu vermeiden, wird das Bulk-Material und damit auch die Body-Diode mit dem Source-Anschluss intern verbunden bzw. angeschlossen. Alternativ besteht die Möglichkeit, anstelle von Feldeffekttransistor-Strukturen so genannte IGBT-Strukturen (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistors) zu verwenden. Diese Schaltervarianten sind zwar frei von den Body-Dioden, erlauben aber den Arbeitspunkt einer invers angelegten Spannung nicht.
  • Halbleiterschalter, die auf Gruppe III-Nitriden, wie beispielsweise Gallium-Nitrid basieren, sind aufgrund ihres großen Bandabstandes bereits als Isolator einzustufen. Ein Stromfluss wird nur an einer zweidimensionalen, im Material intern vorhandenen Grenzfläche, aufgrund von Piezoeigenschaften und Heterostrukturübergängen möglich. Diese Art der Schalter ist weit verbreitet und findet ihren Einsatz im Bereich der Hochfrequenzverstärker wie z.B. Radaranwendungen. Ein fehlende Verbreitung in sicherheitsrelevanten Anwendungen ist unter anderem der Tatsache geschuldet, dass dies Bauelemente selbst leitend sind und daher in sicherheitsrelevanten Anwendungen ein aufwendiges Sicherheitskonzept erfordern. Um dieses Defizit zu umgehen werden bereits heute Gate-Recess angewandt. Dadurch wird der Kanal partiell eingeschnürt und die Ladungsträgerdichte reduziert sich. Für den Stromfluss im Schalter muss dafür die Gate-Diode in Flussrichtung gepolt werden, weshalb hierfür typischer Weise signifikante Ansteuerleistungen erforderlich sind.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters 1 ein erstes Material M1 aus der Gruppe III-Nitride und ein zweites Material M2 aus der Gruppe III-Nitride auf, wobei die beiden Materialien M1, M2 unterschiedliche Bandabstände EG,M1, EG,M2 aufweisen. Erfindungsgemäß ist der Halbleiterschalter 1 als selbst sperrende Multi-Quantenwell-Struktur ausgeführt, welche einen Stapel mit mindestens zwei Schichten 10, 14 aus dem ersten Material M1 der Gruppe III-Nitride und mit mindestens zwei Schichten 12, 16 aus dem zweiten Material M2 der Gruppe III-Nitride umfasst. Die Schichten 10, 12, 14, 16 der beiden Materialien M1, M2 sind abwechselnd angeordnet, so dass sich an deren Grenzflächen mindestens zwei leitfähige Kanäle 11, 15 ausbilden. Der Stapel ist auf einer Schicht 18 aus einem dritten Material M3 aus der Gruppe III-Nitride gesetzt.
  • Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst der erfindungsgemäße bidirektional sperrende Halbleiterschalter 1 zwei leitfähige Kanäle 11, 15, einen Gate-Anschluss 20 mit einem Gate-Kontakt G, welcher mit einer Metallschicht 22 verbunden ist, die vorzugsweise aus Aluminium Al aufgebaut und durch eine Oxidschicht 24 von der ersten Schicht 10 aus dem ersten Material M1 getrennt ist, einen Source-Anschluss 30 mit einem Source-Kontakt S, welcher über einen (n+)-dotierten ersten Kontaktbereich 32 mit den beiden leitfähigen Kanälen 11, 15 kontaktiert ist, und einen Drain-Anschluss 40 mit einem Drain-Kontakt D, welcher über einen (n+)-dotierten zweiten Kontaktbereich 42 ebenfalls mit den beiden leitfähigen Kanälen 11, 15 kontaktiert ist.
  • Die Bandabstände EG,M1, EG,M2, EG,M3 der drei Materialien M1, M2, M3 erfüllen die Bedingung, dass ein erster Bandabstand EG,M1 des ersten Materials M1 größer als ein zweiter Bandabstand EG,M2 des zweiten Materials M2 ist, und dass ein zweiter Bandabstand EG,M2 des zweiten Materials M2 kleiner als ein dritter Bandabstand EG,M3 des dritten Materials M3 ist (EG,M1 > EG,M2 < EG,M3). Als erstes Material M1 aus der Gruppe III-Nitride kann beispielsweise Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN), als zweites Material M2 aus der Gruppe III-Nitride kann Gallium-Nitrid GaN und als drittes Material M3 aus der Gruppe III-Nitride können Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN) oder Gallium-Nitrid (GaN) verwendet werden.
  • Die Stapelstruktur des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters 1 erlaubt es, die piezoelektrischen Eigenschaften der Gruppe III-Nitride in Verbindung mit den Band-Offsets der einzelnen Halbleitermaterialien M1, M2 für die Ladungsträgergeneration zu verwenden. Dabei stellt die hintere Barriere, die vom dritten Material M3 gebildet wird, eine Potentialsperre für die Ladung dar. Diese stellt eine zusätzliche lsolationsschicht in den Bulk-Bereich M3 dar, was für das Abschnürverhalten positive Eigenschaften bringt. Es ist bei entsprechender Ausführung sogar möglich, positive Ladungsträger an der Grenzfläche zwischen dem zweiten und dritten Material M2, M3 zu induzieren. Dadurch kann das Bauelement komplett von seinem Aufbau entkoppelt werden. Theoretisch könnte das Bulk-Material sogar leitend ausgeführt werden, ohne dass sich hier ein Stromfluss ausbildet. In der Realität besteht ein Vorteil darin, dass hier sperrende Bauelemente auch noch trotz Materialdefekte möglich sind, was den Ertrag der Herstellung positiv beeinflusst.
  • Ein weiterer Vorteil dieser Struktur, abgesehen von der zusätzlich eingeführten Barriere zur besseren Stromführung/Abschnürverhalten, ist die Tatsache, dass hier durch die Kanalhöhe die Ladungsmenge in den leitfähigen Kanälen 11, 15 aktiv und ohne Spannung eingestellt werden kann. Der Effekt ist vergleichbar mit einer Modulation der Threshold-Spannung in Silizium-basierten MOSFET (Metalloxidfeldeffekttransistoren), welche allerdings durch Dotierkonzentrationen erlangt wird, und erlaubt es, die Kanalladung frei einzustellen. Die Einstellung der Kanalladung besitzt mehrere Parameter und kann durch Simulation exakt ermittelt werden.
  • Exemplarisch ist dies am Bänderdiagramm in 2 dargestellt, welche die in 1 dargestellte selbst sperrende Multi-Quantenwell-Struktur repräsentiert. Hierbei ist das erste Material M1 ein Aluminium-Gallium-Nitrid (AIGaN), das zweite Material M2 ist ein Gallium-Nitrid (GaN) und das dritte Material M3 ist ebenfalls ein Aluminium-Gallium-Nitrid (AIGaN). Hierbei repräsentiert Evak den Energielevel im Vakuum, -qϰ repräsentiert die Ionisationsenergie, EF repräsentiert das Fermi-Niveau, EL repräsentiert den Verlauf des Energielevels im Leitungsband und EV repräsentiert den Verlauf des Energielevels im Valenzband. Die Parameter hierfür sind beispielsweise die Austrittsarbeiten der Elektronen für die einzelnen Halbleitermaterialien M1, M2, M3, die Polarisationsunterschiede, die aktive Kanalhöhe und die Austrittsarbeit an der Oberfläche zur Umgebung 3, d.h. der Oxidschicht 24 bzw. alternativ bei einem Schottky-Kontakt die Austrittsarbeit der Metalloberfläche. Beim Aufbau des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters 1 ist man nicht auf ternäre Halbleiter, wie beispielsweise Aluminium-Gallium-Nitrid (AIGaN), Gallium-Nitrid (GaN) eingeschränkt, sondern kann vielmehr einen weiteren Freiheitsgrad durch die Realisierung mit Materialien der quaternären Gruppe III-Nitride, wie beispielsweise Indium-Aluminium-Gallium-Nitrid (InAIGaN) erreichen.
  • Alternativ bildet die Art der Entkopplung der einzelnen Schichten die Möglichkeit, mehrere aktive Schichten übereinander zu stapeln. Dadurch ist es möglich, den Serienwiderstand der leitfähigen Kanäle 11, 15 zu reduzieren. Natürlich muss hier für eine Herstellung der Strukturen der Prozess zur Realisierung der ohmschen Kontakte überarbeitet werden. Dies ist beispielsweise mit einer Kontaktätzung der Kontaktbereiche 32, 42 lösbar. Gleichzeitig bietet diese Struktur die Möglichkeit, eine Art Steilheits-Engineering durchzuführen. Je weiter die aktive Schicht bzw. leitfähige Kanal 11, 15 von der Steuerelektrode G entfernt ist, desto geringer ist ihr Durchgriff. In der Realität ist dies durch die Einführung mehrere MilIer-Plateaus in einem auf Silizium-basierten Halbleiterschalter vergleichbar. Dadurch können aktiv und quasi „digital" Serienwiderstände in Leistungshalbleiter eingestellt werden. Dieser Vorgang bietet die Möglichkeit, im Schaltungsaufbau vorhandene Parasiten mit damit verbundenen Spannungsüberhöhungen im Schaltvorgang wesentlich zu dämpfen. Dadurch reduziert sich die Anforderung an die Schaltungstechnik.
  • Die Verwendung von „Isolatoren" als Basismaterial für die Schalterherstellung impliziert, dass der gesamte Schalteraufbau (inklusive Bulk-Material), abgesehen von dem aufgrund von Piezoeigenschaften eigens generierten leitfähigen Kanal, extrem hochohmige Eigenschaften aufweist. Folglich kann, mit Ausnahme der dafür vorgesehenen Grenzflächen bzw. den leitfähige Kanälen 11, 15, kein Strom fließen, weshalb ungewollte Effekte wie z.B. der Punch Through Effekt nicht mehr auftreten können. Daher muss das Bulk-Material M3 nicht mit dem Source-Kontakt S verbunden werden und eine Body-Diode existiert nicht. Eine alternative Verbindung der Kontakte ist nicht schädigend, da das Bulk-Material M3 ohnehin isolierend ist. Man erhält damit einen erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalter 1.
  • Weitere Vorteile der Gruppe III-Nitride ergeben sich dadurch, dass sie als Wide Bandgap Materialien eingestuft werden können. Wie aus 3 ersichtlich ist, bietet dieses Materialsystem bei hohen Sperrspannungen UB einen gleichzeitig reduzierten Durchlasswiderstand Ron im Vergleich zu Silizium. Zudem werden diese Materialien auf bestehende Siliziumsubstrate abgeschieden, weshalb eine vergleichbare Preisbildung möglich ist.
  • 4 bis 6 zeigen verschiedene Leistungsschaltstufen, in welchen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters 1 als bidirektional sperrende elektrische Relais eingesetzt werden.
  • Bei der in 4 dargestellten Leistungsschaltstufe mit mehreren Versorgungsleitungen u, v, w sind zwei bidirektional sperrende Halbleiterschalter 1 als Sternpunkthalbleiterrelais in einer Sternpunktschaltung mit drei Versorgungsleitungen u, v, w eines Elektromotors mit drei Wicklungen 5, 7, 9 eingesetzt, der beispielsweise bei einer elektronischen Servolenkung verwendet wird. Die bidirektional sperrende Eigenschaften des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters 1 ermöglichen bei der Sternpunktschaltung eine Einsparung von 33% der Materialkosten.
  • Bei der in 5 dargestellten Leistungsschaltstufe mit mehreren Versorgungsleitungen u, v, w sind zwei bidirektional sperrende Halbleiterschalter 1 als Phasentrennhalbleiterrelais in einem System mit drei Versorgungsleitungen u, v, w eines Elektromotors mit drei Wicklungen 5, 7, 9 eingesetzt, der beispielsweise bei einer elektronischen Servolenkung verwendet wird. Die bidirektional sperrenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters 1 ermöglichen bei dem Einsatz als Phasentrennhalbleiterrelais ebenfalls die Einsparung von 33% der Materialkosten.
  • Bei der in 6 dargestellten Leistungsschaltstufe mit mehreren Versorgungsleitungen sind zwei bidirektional sperrende Halbleiterschalter 1 als Batterietrennhalbleiterrelais in einem System mit zwei Versorgungsleitungen von zwei Batterien U1+, U2+ eingesetzt. Die bidirektional sperrenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters 1 ermöglichen bei dem Einsatz als Batterietrennrelais die Einsparung von 50% der Materialkosten. Alternativ kann ein erfindungsgemäßer bidirektional sperrender Halbleiterschalter 1 auch als Batterietrennhalbleiterrelais in Systemen mit nur einer Versorgungsleitung von einer korrespondierenden Batterie eingesetzt werden.
  • Zudem kann bei Systemen mit mehreren Versorgungsleitungen ein aktiver Verpolschutz kombiniert mit der Auswahl einer aktiven Versorgungsleitung, insbesondere bei größeren Leistungsaufnahmen mit nur einer Endstufe pro Leitung realisiert werden, was zu einer Materialersparnis von 50% führt.
  • Die Fähigkeit, auch höhere Spannungen bis zu mehreren hundert Volt zu schalten, ermöglicht den Einsatz des erfindungsgemäßen bidirektional sperrenden Halbleiterschalters 1 beispielsweise als Versorgungsschalter für Solarwechselrichter.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112005000223 T5 [0005, 0007, 0007]
    • DE 102007008264 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Bidirektional sperrender Halbleiterschalter mit einem ersten Material (M1) aus der Gruppe III-Nitride und einem zweiten Material (M2) aus der Gruppe III-Nitride, wobei die beiden Materialien (M1, M2) unterschiedliche Bandabstände (EG,M1, EG,M2) aufweisen, und wobei an einer Grenzfläche zwischen den beiden Materialien (M1, M2) ein leitfähiger Kanal (11, 15) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (1) als selbst sperrende Multi-Quantenwell-Struktur ausgeführt ist, welche einen Stapel mit mindestens zwei Schichten (10, 14) aus dem ersten Material (M1) der Gruppe III-Nitride und mit mindestens zwei Schichten (12, 16) aus dem zweiten Material (M2) der Gruppe III-Nitride umfasst, wobei die Schichten (10, 12, 14, 16) abwechselnd angeordnet sind, so dass sich an deren Grenzflächen mindestens zweit leitfähige Kanäle (11, 15) ausbilden, wobei der Stapel auf einer Schicht (18) aus einem dritten Material (M3) aus der Gruppe III-Nitride gesetzt ist.
  2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandabstände (EG,M1, EG,M2, EG,M3) der drei Materialien (M1, M2, M3) die Bedingung erfüllen, dass ein erster Bandabstand (EG,M1) des ersten Materials (M1) größer als ein zweiter Bandabstand (EG,M2) des zweiten Materials (M2) ist, und dass ein zweiter Bandabstand (EG,M2) des zweiten Materials (M2) kleiner als ein dritter Bandabstand (EG,M3) des dritten Materials (M3) ist.
  3. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf piezoelektrischen Eigenschaften des ersten Materials (M1) aus der Gruppe III-Nitride und des zweiten Materials (M1) aus der Gruppe III-Nitride in Kombination mit dem Offsets zwischen dem ersten Bandabstand (EG,M1) des ersten Materials (M1) aus der Gruppe III-Nitride und dem zweiten Bandabstand (EG,M2) des zweiten Materials (M2) aus der Gruppe III-Nitride Ladungsträger in den leitfähigen Kanälen (11, 15) erzeugbar sind, wobei die Schicht (18) aus dem dritten Material (M3) eine Potentialsperre für die Ladungsträger ausbildet.
  4. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsmenge in den leitfähigen Kanälen (11, 15) durch eine Kanalhöhe vorgebbar ist, welche über mindestens einen Parameter beeinflussbar ist.
  5. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien (M1, M2, M3) aus der Gruppe III-Nitride ternäre Halbleiter oder quaternäre Halbleiter sind.
  6. Halbleiterschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Material (M1) aus der Gruppe III-Nitride Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN), als zweites Material (M2) aus der Gruppe III-Nitride Gallium-Nitrid (GaN) und als drittes Material (M3) aus der Gruppe III-Nitride Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN) oder Gallium-Nitrid (GaN) verwendet werden.
  7. Leistungsschaltstufe in einem Fahrzeug mit mindestens einer Versorgungsleitung und mindestens einem bidirektional sperrenden Halbleiterschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Leistungsschaltstufe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bidirektional sperrende Halbleiterschalter (1) als Sternpunkthalbleiterrelais in einer Sternpunktschaltung mit drei Versorgungsleitungen (u, v, w) eines Elektromotors mit drei Wicklungen (5, 7, 9) eingesetzt sind.
  9. Leistungsschaltstufe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bidirektional sperrende Halbleiterschalter (1) als Phasentrennhalbleiterrelais in einem System mit drei Versorgungsleitungen (u, v, w) eines Elektromotors mit drei Wicklungen (5, 7, 9) eingesetzt sind.
  10. Leistungsschaltstufe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein bidirektional sperrender Halbleiterschalter (1) als Batterietrennhalbleiterrelais für eine Versorgungsleitung einer korrespondierenden Batterie (U1+, U2+) eingesetzt ist.
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