DE102013109831B4 - Schutzbegrenzer für Heteroübergangsverbindungshalbleiter und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Schutzbegrenzer für Heteroübergangsverbindungshalbleiter und Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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Abstract

Vorrichtung, umfassend:einen Multi-Gate-Transistor (9) mit hoher Elektronenbeweglichkeit umfassend einen Drain-/Source-Bereich (7, 26), einen Source-/Drain-Bereich (8, 27), ein erstes Verarmungstyp-Gate (1, 35a), ein zweites Verarmungstyp-Gate (2, 35b) und ein Anreicherungstyp-Gate (3, 36), wobei das Anreicherungstyp-Gate (3, 36) zwischen dem ersten und zweiten Verarmungstyp-Gate angeordnet ist, wobei der Drain-/Source-Bereich (7, 26) und das erste Verarmungstyp-Gate (1, 35a) elektrisch mit einem ersten Anschluss (N) verbunden sind, und wobei der Source-/Drain-Bereich (8, 27) und das zweite Verarmungstyp-Gate (2, 35b) elektrisch mit einem zweiten Anschluss (N) elektrisch verbunden sind,eine Strombegrenzungsschaltung (6, 46), die elektrisch zwischen dem Anreicherungstyp-Gate (3, 36) und dem zweiten Anschluss (N) angeschlossen ist, undeine Vorwärts-Triggersteuerschaltung (5, 45), die elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N) und dem Anreicherungstyp-Gate (3, 36) angeschlossen ist, wobei die Vorwärts-Triggersteuerschaltung (5, 45) dafür ausgebildet ist, einen Triggerstrom zu leiten, wenn eine Spannung des ersten Anschlusses (N) eine Spannung des zweiten Anschlusses (N) um eine Vorwärts-Triggerspannung übersteigt, und wobei die Triggerspannung dafür ausgebildet ist, das Anreicherungstyp-Gate (3, 36) einzuschalten, um einen Leitungsweg in Vorwärtsrichtung zwischen dem ersten Anschluss (N) und dem zweiten Anschluss (N) bereitzustellen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf elektronische Systeme und insbesondere auf Schutzvorrichtungen für Schaltungen aus Verbindungshalbleitern, wie zum Beispiel Galliumarsenid(GaAs)-Schaltungen.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Elektronische Schaltungen können einem transienten elektrischen Ereignis oder einem elektrischen Signal von relativ kurzer Dauer mit schneller Spannungsänderung und hoher Energie ausgesetzt sein. Bei transienten elektrischen Ereignissen kann es sich zum Beispiel um eine elektrische Entladung (Electrical Discharge, ESD) / Überspannung durch elektrostatische Überlastung (Electrostatic Overstress, EOS) aus der schlagartigen Freisetzung von Ladung von einem Gegenstand oder einer Person an eine elektronische Schaltung handeln. Transiente elektrische Ereignisse können Schäden an integrierten Schaltkreisen (IC) verursachen, infolge von Überspannungszuständen und/oder hoher Verlustleistung in relativ kleinen Bereichen des IC. Durch eine hohe Energiedissipation kann sich die Temperatur des Schaltkreises erhöhen, was zu zahlreichen Problemen, wie Übergangsbeschädigung, Metallschäden und/oder Oberflächenladungsansammlung führen kann.
  • Bei bestimmten Galliumarsenid(GaAs)- oder anderen Verbindungshalbleiter-Schaltungen, einschließlich zum Beispiel bei Hochfrequenz(HF)-Leistungsverstärkern, Dämpfern, Verstärkerblöcken, Mehrspannungs-Schaltkreisen, Treibern und/oder Schaltern, kann es schwierig sein, einen Schutz gegen transiente elektrische Ereignisse bereitzustellen. Zum Beispiel können herkömmliche ESD/EOS-Schutzvorrichtungen eine große parasitäre Kapazität haben, die sich nachteilig auf Schaltungsverstärkung, Linearität und/oder Bandbreite auswirken kann, und somit für den Schutz solcher Schaltungen ungeeignet sein. Außerdem kann die Leistung von ESD/EOS-Schutzvorrichtungen durch die mit den Verbindungshalbleitertechnologien verbundene relativ geringe thermische Leitfähigkeit und/oder Strombelastbarkeit begrenzt sein. Es besteht demnach Bedarf an verbesserten Vorrichtungen und Schaltungen für den Schutz von Verbindungshalbleiterschaltungen.
  • US 2012/0236449 A1 zeigt eine Vorrichtung vom Schutz gegen elektrostatische Entladungen mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss. Die Vorrichtung weist ferner einen Shunt-Transistor auf, der zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnet ist. Der Shunt-Transistor kann einen bidirektionalen Entladepfad zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss bereitstellen. Der Shunt-Transistor kann über ein Steuerelement ein- und ausgeschaltet werden.
  • US 2009/0078964 A1 zeigt einen Heteroübergangsaufbau, der einen Bereich zwischen der Gate- und der Drain-Elektrode aufweist, der während des Betriebs des Aufbaus dasselbe Potential hat wie eine Source-Elektrode des Aufbaus.
  • US 2012/0217542 A1 zeigt einen bidirektionalen Schalter mit einem Halbleiterelement und einem Potentialstabilisierer. Das Halbleiterelement weist eine erste und eine zweite Ohm'sche Elektrode und eine erste und zweite Gate-Elektrode auf, die in Reihe auf der ersten Ohm'schen Elektrode zwischen der ersten Ohm'schen Elektrode und der zweiten Ohm'schen Elektrode angeordnet sind. Der Potentialstabilisierer stellt ein Potential des Substrats ein, das niedriger ist als das höhere Potential von erster und zweiter Ohm'sche Elektrode.
  • ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG
  • Bei einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung einen Multi-Gate-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (High-Electron-Mobility Transistor, HEMT), mit einem Drain-/Source-Bereich, einem Source-/Drain-Bereich, einem ersten Verarmungstyp- bzw. „Depletion-Modus”(D-Modus)-Gate, einem zweiten D-Modus-Gate, und einem Anreicherungstyp- bzw. „Enhancement-Modus”(E-Modus)-Gate. Das E-Modus-Gate ist zwischen dem ersten und dem zweiten D-Modus-Gate angeordnet. Der Drain-/Source-Bereich und das erste D-Modus-Gate sind elektrisch mit einem ersten Anschluss verbunden, und der Source-/Drain-Bereich und das zweite D-Modus-Gate sind elektrisch mit einem zweiten Anschluss verbunden. Die Strombegrenzungsschaltung ist elektrisch zwischen dem E-Modus-Gate und dem zweiten Anschluss angeschlossen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Vorwärts-Triggersteuerschaltung, die elektrisch zwischen dem ersten Anschluss und dem E-Modus-Gate angeschlossen ist, und die Vorwärts-Triggersteuerschaltung ist dafür ausgestaltet, einen Triggerstrom zu leiten, wenn eine Spannung des ersten Anschlusses eine Spannung des zweiten Anschlusses um eine Vorwärts-Triggerspannung übersteigt. Der Triggerstrom ist dafür ausgestaltet, das E-Modus-Gate einzuschalten, um einen Leitungsweg in Vorwärtsrichtung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss bereitzustellen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung ein Substrat, eine über dem Substrat angeordnete Heteroübergangsstruktur, einen über der Heteroübergangsstruktur angeordneten und elektrisch mit einem ersten Anschluss verbundenen Drain-/Source-Bereich, einen über der Heteroübergangsstruktur angeordneten und elektrisch mit einem zweiten Anschluss verbundenen, Source-/Drain-Bereich, einen über der Heteroübergangsstruktur zwischen dem Drain-/Source-Bereich und dem Source-/Drain-Bereich angeordneten E-Modus-Gate-Bereich, einen über der Heteroübergangsstruktur zwischen dem Drain-/Source-Bereich und dem E-Modus-Gate-Bereich angeordneten ersten D-Modus-Gate-Bereich, einen zwischen dem Source-/Drain-Bereich und dem E-Modus-Gate-Bereich über der Heteroübergangsstruktur angeordneten zweiten D-Modus-Gate-Bereich, eine elektrisch zwischen dem E-Modus-Gate-Bereich und dem zweiten Anschluss angeschlossene Strombegrenzungsschaltung, und eine elektrisch zwischen dem ersten Anschluss und dem E-Modus-Gate-Bereich angeschlossene Vorwärts-Triggersteuerschaltung. Der erste D-Modus-Gate-Bereich ist elektrisch mit dem ersten Anschluss verbunden, und der zweite D-Modus-Gate-Bereich ist elektrisch mit dem zweiten Anschluss verbunden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzbegrenzers aufgezeigt. Das Verfahren umfasst das Herstellen einer Heteroübergangsstruktur über einem Substrat, Herstellen eines Drain-/Source-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Herstellen eines Source-/Drain-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Herstellen eines E-Modus-Gate-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Herstellen eines ersten D-Modus-Gate-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Herstellen eines zweiten D-Modus-Gate-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Herstellen einer Strombegrenzungsschaltung, und Herstellen einer Vorwärts-Triggersteuerschaltung. Der E-Modus-Gate-Bereich ist zwischen dem Drain-/Source-Bereich und dem Source-/Drain-Bereich angeordnet, und der erste D-Modus-Gate-Bereich ist zwischen dem Drain-/Source-Bereich und dem E-Modus-Gate-Bereich angeordnet. Zusätzlich ist der zweite D-Modus-Gate-Bereich ist zwischen dem Source-/Drain-Bereich und dem E-Modus-Gate-Bereich angeordnet. Die Strombegrenzungsschaltung umfasst einen elektrisch mit dem E-Modus-Gate-Bereich verbundenen ersten Anschluss und einen elektrisch mit dem zweiten D-Modus-Gate-Bereich und dem Source-/Drain-Bereich verbundenen zweiten Anschluss. Die Vorwärts-Triggersteuerschaltung umfasst einen elektrisch mit dem E-Modus-Gate-Bereich verbundenen ersten Anschluss und einen elektrisch mit dem ersten D-Modus-Gate-Bereich und mit dem Drain-/Source-Bereich verbundenen zweiten Anschluss.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführung eines Heteroübergangs-Schutzbegrenzers.
    • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung, in der der Heteroübergangs-Schutzbegrenzer aus 1 gemäß einer Ausführungsform umgesetzt ist.
    • 3 zeigt ein Diagramm, in dem für ein Beispiel der Heteroübergangs-Schutzbegrenzer aus 1 die Spannung gegen den Strom aufgetragen ist.
    • 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung, in der der Multi-Gate-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) aus 1 gemäß einer Ausführungsform umgesetzt ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen sind mehrere spezifische Ausführungen der Erfindung dargestellt. Die Erfindung kann jedoch durch eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen, wie in den Ansprüchen definiert und von diesen abgedeckt, verkörpert sein. In dieser Beschreibung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf identische oder funktional ähnliche Elemente beziehen.
  • Es werden Heteroübergangs-Schutzbegrenzer und Verfahren zur Herstellung derselben aufgezeigt. In bestimmten Ausführungsformen ist zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss ein Schutzbegrenzer angeordnet und umfasst einen Multi-Gate-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT), eine Strombegrenzungsschaltung und eine Vorwärts-Triggersteuerschaltung. Der Multi-Gate-HEMT umfasst einen Drain-/Source-Bereich, einen Source-/Drain-Bereich, ein erstes Verarmungstyp- bzw. „Depletion-Modus“(D-Modus)-Gate, ein zweites D-Modus-Gate und ein Anreicherungstyp- bzw. „Enhancement-Modus“(E-Modus)-Gate, das zwischen dem ersten und dem zweiten D-Modus-Gate angeordnet ist. Der Multi-Gate-HEMT ist elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Anschluss angeschlossen, wobei der Drain-/Source-Bereich und das erste D-Modus-Gate mit dem ersten Anschluss gekoppelt sind und der Source-/Drain-Bereich und das zweite D-Modus-Gate mit dem zweiten Anschluss. Ferner ist die Vorwärts-Triggersteuerschaltung zwischen den ersten Anschluss und das E-Modus-Gate gekoppelt und die Strombegrenzungsschaltung ist zwischen den zweiten Anschluss und das E-Modus-Gate gekoppelt.
  • Die Vorwärts-Triggersteuerschaltung kann einen Triggerstrom leiten, wenn eine Spannung des ersten Anschlusses eine Spannung des zweiten Anschlusses um eine Vorwärts-Triggerspannung übersteigt. Der Triggerstrom kann das E-Modus-Gate einschalten bzw. aktivieren, um einen Leitungsweg in Vorwärtsrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss bereitzustellen. Für relativ große Überspannungsbedingungen kann ein Teil des Triggerstroms den Strombegrenzungsschaltkreis passieren, bzw. durch diesen hindurchfließen, und die Spannungsdifferenz zwischen dem E-Modus-Gate und dem Source-/Drain-Bereich weiter erhöhen und somit den Durchlasswiderstand des Schutzbegrenzers reduzieren. Der Leitungsweg in Vorwärtsrichtung umfasst einen ersten Stromweg durch einen zweidimensionalen Elektronengas(2DEG)-Bereich oder -Kanal des Multi-Gate-HEMT, und einen zweiten Stromweg durch eine dem ersten D-Modus-Gate zugeordnete Metall-Halbleiter- oder Schottky-Dioden-Struktur. Der Schutzbegrenzer kann auch Schutz gegen Unterspannungsereignisse bieten, indem er einen Leitungsweg in Rückwärtsrichtung bereitstellt, wenn die Spannung des zweiten Anschlusses die Spannung des ersten Anschlusses um eine Triggerspannung in Rückwärtsrichtung übersteigt, die in bestimmten Ausführungsformen etwa gleich der Schwellenspannung des E-Modus-Gates sein kann.
  • 1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Schutzschaltung oder Heteroübergangs-Schutzbegrenzers 10. Die Schutzschaltung 10 umfasst eine Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5, eine Strombegrenzungsschaltung 6 und einen Multi-Gate-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) 9. Der Multi-Gate-HEMT 9 umfasst einen Drain-/Source-Bereich 7, einen Source-/Drain-Bereich 8, ein erstes Verarmungstyp- bzw. „Depletion-Modus“(D-Modus)-Gate 1, ein zweites D-Modus-Gate 2 und ein Anreicherungstyp- bzw. „Enhancement-Modus“(E-Modus)-Gate 3. Das E-Modus-Gate 3 ist zwischen dem ersten D-Modus-Gate 1 und dem zweiten D-Modus-Gate 2 angeordnet. Wie in 1 dargestellt, ist die Schutzschaltung 10 elektrisch zwischen einem ersten Anschluss N1 und einem zweiten Anschluss N2 angeschlossen.
  • Der Drain-/Source-Bereich 7 und das erste D-Modus-Gate 1 sind elektrisch mit dem ersten Anschluss N1 verbunden, und der Source-/Drain-Bereich 8 und das zweite D-Modus-Gate 2 sind elektrisch mit dem zweiten Anschluss N2 verbunden. Die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 ist elektrisch zwischen dem ersten Anschluss N1 und dem E-Modus-Gate 3 verbunden. Die Strombegrenzungsschaltung 6 ist elektrisch zwischen dem zweiten Anschluss N2 und dem E-Modus-Gate 3 verbunden.
  • Der Multi-Gate-HEMT 9 kann bidirektional arbeiten und die Funktion des Drain-/Source-Bereichs 7 und des Source-/Drain-Bereichs 8 als Drain oder als Source kann von den Spannungsbedingungen des ersten und zweiten Anschlusses N1, N2 abhängen. Wenn zum Beispiel eine Spannung des ersten Anschlusses N1 höher ist als eine Spannung des zweiten Anschlusses N2, dient der Drain-/Source-Bereich 7 des Multi-Gate-HEMT 9 als Drain und der Source-/Drain-Bereich 8 des Multi-Gate-HEMT 9 dient als Source. Wenn dagegen eine Spannung des ersten Anschlusses N1 niedriger ist als eine Spannung des zweiten Anschlusses N2, dient der Drain-/Source-Bereich 7 des Multi-Gate-HEMT 9 als Source und der Source-/Drain-Bereich 8 des Multi-Gate-HEMT 9 dient als Drain.
  • Das erste und zweite D-Modus-Gate 1, 2 sind Verarmungstyp-Gates, bzw. selbstleitende Gates, mit einer Schwellenspannung von weniger als oder gleich ungefähr 0 V. Im Gegensatz dazu ist das E-Modus-Gate 3 ein Anreicherungstyp-Gate, bzw. selbstsperrendes Gate, mit einer Schwellenspannung von mehr als ungefähr 0 V. In einer Ausführung haben die ersten und zweiten D-Modus-Gates 1, 2 eine Schwellenspannung im Bereich von etwa -1,0 V bis etwa -2,0 V und das E-Modus-Gate 3 hat eine Schwellenspannung im Bereich von etwa 0,3 V bis etwa 0,5 V.
  • Das erste und zweite D-Modus-Gate 1, 2 sind jeweils mit dem Drain-/Source-Bereich 7 bzw. dem Source-/Drain-Bereich 8 gekoppelt. Da das erste und zweite D-Modus-Gate 1, 2 selbstleitende, bzw. Verarmungstyp-Strukturen sind, kann durch ein Verbinden des ersten und zweiten D-Modus-Gates 1, 2 in dieser Anordnung ein erster Abschnitt des Kanals zwischen dem ersten D-Modus-Gate 1 und dem E-Modus-Gate 3 so vorbeeinflusst (bias) werden, dass dessen Spannung ungefähr gleich der Spannung des ersten Anschlusses N1 ist, und ein zweiter Abschnitt des Kanals zwischen dem zweiten D-Modus-Gate 2 und dem E-Modus-Gate 3 kann so vorbeeinflusst werden, dass dessen Spannung ungefähr gleich der Spannung des zweiten Anschlusses N2 ist.
  • Als Multi-Gate-HEMT 9 kann ein beliebiger geeigneter Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit, wie zum Beispiel ein Galliumarsenid(GaAs)-, Indiumphosphid(InP)- oder Galliumnitrid(GaN)-HEMT verwendet werden. Wie der Fachmann erkennen wird, kann ein HEMT auch als modulationsdotierter Feldeffekttransistor (MODFET) oder als Heteroübergangs-Feldeffekttransistor (HFET) bezeichnet werden. In einer Ausführungsform ist der Multi-Gate-HEMT 9 ein pseudomorpher Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (pHEMT).
  • Der erste und zweite Anschluss N1, N2 können bei normalen Schaltungsbetriebsbedingungen innerhalb eines festgelegten Spannungsbereichs arbeiten. Zum Beispiel können bei bestimmten Ausführungsformen normale Schaltungsbetriebsbedingungen mit einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluss N1 und dem zweiten Anschluss N2 von zwischen etwa 5 V und etwa 10 V zugeordnet sein. Allerdings werden sich dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ohne Weiteres auch andere geeignete Betriebsspannungsbedingungen erschließen.
  • Bei einer Ausführungsform ist der erste Anschluss N1 mit einem Signalpad eines integrierten Schaltkreises verbunden und der zweite Anschluss N2 ist mit einer Niederpotential-(power low) oder Masse-Versorgung verbunden. Jedoch sind auch andere Ausführungen möglich, wie zum Beispiel Anordnungen bei denen der erste und zweite Anschluss N1, N2 jeweils mit Hochpotential-(power high) bzw. Niederpotential-Versorgung verbunden sind.
  • Die Strombegrenzungsschaltung 6 kann so arbeiten, dass sie einen Stromfluss begrenzt oder verhindert. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Strombegrenzungsschaltung 6 einen Widerstand und/oder ein oder mehrere weitere Impedanz-Elemente, die dafür ausgebildet sind, den Stromfluss durch die Strombegrenzungsschaltung 6 zu begrenzen. Wenn kein Triggerstrom von der Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 vorliegt, kann die Strombegrenzungsschaltung 6 das E-Modus-Gate 3 auf der Basis der Spannung des zweiten Anschlusses N2 beeinflussen. In einer Ausführungsform, zum Beispiel, beeinflusst die Strombegrenzungsschaltung 6 das E-Modus-Gate 3 auf eine Spannung, die ungefähr gleich der Spannung des zweiten Anschlusses N2 ist.
  • Die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 kann in einem hochohmigen Zustand arbeiten, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluss N1 und dem zweiten Anschluss N2 kleiner ist als eine Vorwärts-Triggerspannung der Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5. Wenn jedoch die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluss N1 und dem zweiten Anschluss N2 größer ist als die Vorwärts-Triggerspannung, kann die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 in einen niederohmigen Zustand übergehen und einen Triggerstrom leiten. Als Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 kann eine beliebige Schaltung verwendet werden, einschließlich, zum Beispiel, eine oder mehrere Dioden, die seriell verbunden sind um eine gewünschte Vorwärts-Triggerspannung zu erreichen. Jedoch können auch andere Ausführungsformen der Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 eingesetzt werden. Die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 kann zum Beispiel eine beliebige geeignete Schaltung sein, die eine hohe Impedanz bereitstellt, wenn die Spannung über das Bauteil niedriger ist als die Vorwärts-Triggerspannung, und die eine niedrige Impedanz bereitstellt, wenn die Spannung über das Bauteil größer oder gleich der Vorwärts-Triggerspannung ist.
  • Die Vorwärts-Triggerspannung kann so gewählt werden, dass eine gewünschte Vorwärts-Aktivierungsspannung der Schutzschaltung 10 erreicht wird. In einer Ausführungsform ist die Vorwärts-Triggerspannung im Bereich von etwa 5 V bis etwa 10 V gewählt. Allerdings werden sich dem Durchschnittsfachmann ohne Weiteres auch andere Spannungen erschließen, wie zum Beispiel Spannungen, die von Rahmenbedingungen des Systems und/oder des Prozesses abhängen.
  • Unter normalen Betriebsspannungsbedingungen zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2, kann sich die Schutzschaltung 10 in einem AUS- oder hochohmigen Zustand befinden, in dem der Stromfluss zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 gesperrt ist. Der hochohmige Zustand der Schutzschaltung kann damit verbunden sein, dass die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 eine relativ geringe Menge an Strom leitet und die Strombegrenzungsschaltung 6 das E-Modus-Gate 3 auf der Basis der Spannung des zweiten Anschlusses N2 beeinflusst, um das E-Modus-Gate 3 auszuschalten. Somit arbeitet die Schutzschaltung 10 für normale Betriebsspannungsbedingungen in einem hochohmigen Zustand mit geringem Leckstrom.
  • Außerdem kann die Schutzschaltung 10 dazu eingesetzt werden, mit dem ersten und/oder zweiten Anschluss N1, N2 verbundene Schaltungen vor einem transienten elektrischen Ereignis, wie zum Beispiel einem Überspannungs- und/oder Unterspannungsereignis zu schützen, das durch einen durch den Benutzer verursachten Kontakt entsteht, oder das durch den Hersteller herbeigeführt wird, um die Robustheit eines integrierten Schaltkreises unter einer bestimmten Belastungsbedingung zu testen.
  • Zum Beispiel kann die Schutzschaltung 10 als Reaktion auf ein Überspannungsereignis, das die Spannung des ersten Anschlusses N1 gegenüber der Spannung des zweiten Anschlusses N2 erhöht, einen niederohmigen Leitungsweg in Vorwärtsrichtung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 bereitstellen. Insbesondere kann die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 einen Triggerstrom leiten, wenn eine Spannung des ersten Anschlusses N1 eine Spannung des zweiten Anschlusses N2 um die Vorwärts-Triggerspannung der Vorwärts-Triggersteuerschaltung 5 übersteigt. Der Triggerstrom kann die Spannung des E-Modus-Gates 3 erhöhen, und der Leitungsweg in Vorwärtsrichtung kann sich einschalten, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem E-Modus-Gate 3 und dem Source-/Drain-Bereich 8 größer ist als die Schwellenspannung des E-Modus-Gates 3. Wenn sich die positive Überlastungsspannung oder Überspannung weiter erhöht, kann ein Teil des Triggerstroms durch die Strombegrenzungsschaltung 6 fließen, wodurch sich die Spannungsdifferenz zwischen dem E-Modus-Gate 3 und dem Source-/Drain-Bereich 8 weiter erhöhen und den Durchlasswiderstand der Schutzschaltung reduzieren kann.
  • Bei eingeschaltetem Multi-Gate-HEMT 9, ist ein niederohmiger Leitungsweg in Vorwärtsrichtung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 bereitgestellt. Der Leitungsweg in Vorwärtsrichtung umfasst einen ersten Stromweg vom ersten Anschluss N1 zum zweiten Anschluss N2 durch den Drain-/Source-Bereich 7 und den Kanal des Multigate-HEMT 9. Außerdem kann, bei einer ausreichend hohen Gate-Spannung, eine dem ersten D-Modus-Gate 1 zugeordnete Schottky-Diodenstruktur oder ein Metall-Halbleiterübergang eine Vorbeeinflussung in Vorwärtsrichtung annehmen und einen zweiten Stromweg zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 bereitstellen. Der zweite Stromweg reduziert den Durchlasswiderstand der Schutzschaltung, wodurch sich die Größe und parasitäre Kapazität der Schutzvorrichtung für einen jeweiligen Schutzstrom verkleinern kann.
  • Die Schutzschaltung 10 ist auch ausgelegt, in Reaktion auf ein Unterspannungsereignis, das die Spannung des zweiten Anschlusses N2 im Verhältnis zur Spannung des ersten Anschlusses N1 erhöht, eine Leitung in Rückwärtsrichtung bereitzustellen. Zum Beispiel kann, wenn sich die Spannung des zweiten Anschlusses N2 im Verhältnis zur Spannung des ersten Anschlusses N1 erhöht, der Multi-Gate-HEMT 9 eine Triggerspannung in Rückwärtsrichtung einschalten, die etwa gleich der Schwellenspannung des E-Modus-Gates 3 ist. Der Leitungsweg in Rückwärtsrichtung umfasst einen ersten Stromweg vom zweiten Anschluss N2 zum ersten Anschluss N1 durch den Source-/Drain-Bereich 8 und den Kanal des Multi-Gate-HEMT 9. Zusätzlich kann, wenn die Spannung des zweiten Anschlusses N2 ausreichend hoch ist, eine dem Gate des zweiten D-Modus-Gates 2 zugeordnete Schottky-Diodenstruktur eine Vorbeeinflussung in Vorwärtsrichtung annehmen und einen zweiten Stromweg zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 bereitstellen.
  • Die Schutzschaltung 10 kann eine im Vergleich zu herkömmlichen Schutzschaltungen niedrige parasitäre Kapazität aufweisen. Zum Beispiel kann der Multi-Gate-HEMT 9 mit mehreren Stromwegen arbeiten und somit eine im Vergleich zu herkömmlichen Schutzkonstruktionen höhere Leitfähigkeit pro Flächeneinheit besitzen. Darüber hinaus kann die Schutzschaltung 10 Schutz sowohl gegen Über- als auch gegen Unterspannungsereignisse bieten, und kann somit im Vergleich zu Schutzvorrichtungen mit getrennten Schaltungen für Über- und Unterspannungsschutz eine reduzierte Gesamtkapazität besitzen.
  • Obwohl der Multi-Gate-HEMT 9 mit drei Gates gezeigt ist, kann der Multi-Gate-HEMT 9 auch um zusätzliche Gates erweitert werden. In einer Ausführung, zum Beispiel, umfasst der Multi-Gate-HEMT 9 ein oder mehrere zusätzliche, zwischen dem ersten und zweiten D-Modus-Gate 1, 2 angeordnete Gates.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung 20, in der der Heteroübergangs-Schutzbegrenzer 10 der 1 gemäß einer möglichen Ausführungsform umgesetzt ist. Die Schutzvorrichtung 20 umfasst ein Galliumarsenid(GaAs)-Substrat 21, eine Heteroübergangsstruktur 22, einen Drain-/Source-Bereich 26, einen Source-/Drain-Bereich 27, ein erstes D-Modus-Gate 35a, ein zweites D-Modus-Gate 35b, einen E-Modus-Gate-Bereich 36, eine rückseitige Leiter 39, eine Vorwärts-Triggersteuerschaltung 45, eine Strombegrenzungsschaltung 46, einen ersten Anschluss N1 und einen zweiten Anschluss N2.
  • Die Heteroübergangsstruktur 22 umfasst eine über dem GaAs-Substrat 21 angeordnete Indium-Gallium-Arsenid(InGaAs)-Schicht 23, eine über der InGaAs-Schicht 23 angeordnete Beabstandungsschicht 24, und eine über der Beabstandungsschicht 24 angeordnete n-Typ-Aluminium-Gallium-Arsenid(n-AlGaAs)-Schicht 25. Der Drain-/Source-Bereich 26 ist über der Heteroübergangsstruktur 22 angeordnet und umfasst einen ersten n-Typ-GaAs-Bereich 30a, einen über dem ersten n-Typ-GaAs-Bereich 30 angeordneten ersten stark dotierten n-Typ-GaAs-Bereich 31a, und einen ersten über dem ersten stark dotierten n-Typ-GaAs-Bereich 31a angeordneten Kontaktbereich 32a. Außerdem ist der Source-/Drain-Bereich 27 dem Drain-/Source-Bereich 26 benachbart über der Heteroübergang-Struktur 22 angeordnet und umfasst einen zweiten n-Typ-GaAs-Bereich 30b, einen zweiten über dem zweiten n-Typ-GaAs-Bereich 30b angeordneten stark dotierten n-Typ-GaAs-Bereich 31b, und einen zweiten über dem zweiten stark dotierten n-Typ-GaAs-Bereich 31b angeordneten Kontaktbereich 32b. In der dargestellten Anordnung weisen die ersten und zweiten stark dotierten n-Typ-GaAs-Bereiche 31a, 31b eine höhere Dotierungskonzentration auf als die ersten und zweiten dotierten n-Typ-GaAs-Bereiche 30a, 30b.
  • Der E-Modus-Gate-Bereich 36 ist über der Heteroübergangsstruktur 22 zwischen dem Drain-/Source-Bereich 26 und dem Source-/Drain-Bereich 27 angeordnet. Ferner ist der erste D-Modus-Gate-Bereich 35a über der Heterostruktur 22 zwischen dem E-Modus-Gate-Bereich 36 und dem Drain-/Source-Bereich 26 angeordnet. Ferner ist der zweite D-Modus-Gate-Bereich 35b über der Heteroübergangsstruktur 22 zwischen dem E-Modus-Gate-Bereich 36 und dem Source-/Drain-Bereich 27 angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen umfasst der erste und zweite D-Modus-Gate-Bereich 35a, 35b und der E-Modus-Gate-Bereich 36 Metall. Zum Beispiel können in einer beispielhaften Ausführungsform die ersten und zweiten D-Modus-Gate-Bereiche 35a, 35b und der E-Modus-Gate-Bereich 36 mindestens eines der Elemente Nickel (Ni), Gold (Au), Titan (Ti) oder Platin (Pt) umfassen. Wie der Fachmann erkennen wird, kann ein Metall-Halbleiterübergang in Verbindung mit einem Gate eines HEMT als Schottky-Diodenstruktur fungieren.
  • Als GaAs-Substrat 21 kann ein intrinsisches Substrat mit einer relativ niedrigen Dotierungskonzentration verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das GaAs-Substrat 21 eine relativ dünne Substratdicke besitzen, zum Beispiel eine Dicke im Bereich von etwa 0,5 µm bis etwa 1 µm. Eine relativ dünne Ausgestaltung des GaAs-Substrats 21 kann für die Bildung von Wafer-Durchkontaktierungen günstig sein, die dazu verwendet werden können, auf dem GaAs-Substrat 21 hergestellte Schaltungen mit dem rückseitigen Leiter 39 zu verbinden. Obwohl bestimmte Dotierungskonzentrationen und - dicken beschrieben wurden, werden sich dem Durchschnittsfachmann auf dem Fachgebiet ohne Weiteres auch andere geeignete Werte erschließen.
  • Die Heteroübergangsstruktur 22, der Drain-/Source-Bereich 26, der Source-/Drain-Bereich 27, der erste D-Modus-Gate-Bereich 35a, der zweite D-Modus-Gate-Bereich 35b und der E-Modus-Gate-Bereich 36 arbeiten als Multi-Gate-HEMT. Zum Beispiel kann, wie der Fachmann erkennen wird, die Diffusion von Elektronen aus der n-AlGaAs-Schicht 25 in die InGaAs-Schicht 23 die Bildung eines zweidimensionalen Elektronengas(2DEG)-Bereichs oder -kanals innerhalb der InGaAs-Schicht 23 bewirken. Die Leitfähigkeit des 2DEG-Bereichs kann durch Steuerung der Gate-Spannungen des ersten D-Modus-Gate-Bereichs 35a, des zweiten D-Modus-Gates-Bereichs 35b und des E-Modus-Gate-Bereichs 36 beeinflusst oder verändert werden.
  • In einer Ausführungsform besitzt die n-AlGaAs-Schicht 25 eine Dicke im Bereich von etwa 300 nm bis etwa 500 nm und eine Dotierungskonzentration im Bereich von etwa 1 × 1018 Atomen/cm3 bis etwa 9 × 1018 Atomen/cm3. Die InGaAs-Schicht 23 kann so ausgelegt sein, dass sie eine relativ niedrige Dotierungskonzentration aufweist, um die Beweglichkeit der Elektronen durch die Reduzierung von Kollisionen zwischen Elektronen und Dotierstöratomen zu verbessern. In einer Ausführungsform, zum Beispiel, besitzt die InGaAs-Schicht 23 eine Dicke im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 15 nm und eine Dotierungskonzentration von weniger als etwa 1 × 1018 Atomen/cm3. Die Beabstandungsschicht 24 kann zur Reduzierung von mit unterschiedlichen Gitterkonstanten der Schichten verbundenen Schnittstellen-Fangstellen oder -Defekten zwischen den Schnittstellen der InGaAs-Schicht 23 und der n-AlGaAs-Schicht 25 beitragen. In einer Ausführungsform umfasst die Beabstandungsschicht 24 eine Schicht aus AlGaAs mit einer Dicke im Bereich von etwa 3 nm bis etwa 6 nm. Bei bestimmten Ausführungsformen können eine oder mehrere Schichten der Heteroübergangsstruktur 22 unter Verwendung eines epitaxialen Wachstumsprozesses hergestellt werden. Obwohl bestimmte Dotierungskonzentrationen und -dicken beschrieben wurden, werden sich dem Durchschnittsfachmann auf dem Fachgebiet ohne Weiteres auch andere geeignete Werte erschließen.
  • Der rückseitige Leiter 39 ist zum GaAs-Substrat 21 benachbart auf einer der Heteroübergangsstruktur 22 gegenüberliegenden Seite des GaAs-Substrats 21 angeordnet. Der rückseitige Leiter 39 kann mittels einer Low-Side- bzw. Masse-Versorgung elektrisch vorgespannt sein, und im GaAs-Substrat 21 gebildete Wafer-Durchkontaktierungen können dazu verwendet werden, elektrische Verbindungen zwischen dem Schaltkreis und der Masse-Versorgung bereitzustellen. Zum Beispiel ist in einer Ausführungsform der zweite Anschluss N2 mittels einer oder mehrerer Wafer-Durchkontaktierungen elektrisch mit dem rückseitigen Leiter 39 verbunden. In bestimmten Ausführungsformen umfasst der rückseitige Leiter 39 mindestens Gold (Au) und/oder Kupfer (Cu). Obwohl der rückseitige Leiter 39 als einzelne Schicht dargestellt ist, kann der rückseitige Leiter 39 auch mehrere Unterschichten, einschließlich beispielsweise Impf-Unterschichten und/oder Barriere-Unterschichten umfassen.
  • Der Drain-/Source-Bereich 26 und der erste D-Modus-Gate-Bereich 35a sind elektrisch mit dem ersten Anschluss N1 verbunden, und der Source-/Drain-Bereich 27 und der zweite D-Modus-Gate-Bereich 35b sind elektrisch mit dem zweiten Anschluss N2 verbunden. Zusätzlich ist die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 45 elektrisch zwischen dem ersten Anschluss N1 und dem E-Modus-Gate-Bereich 36 verbunden, und die Strombegrenzungsschaltung 46 ist elektrisch zwischen dem E-Modus-Gate-Bereich 36 und dem zweiten Anschluss N2 verbunden.
  • Die dargestellte Vorwärts-Triggersteuerschaltung 45 enthält eine Sperrdurchbruchsdiode 47 und eine Diode 48. Zum Beispiel umfasst die Sperrdurchbruchsdiode 47 eine elektrisch mit dem ersten Anschluss N1 verbundene Kathode, und die Diode 48 umfasst eine elektrisch mit dem E-Modus-Gate-Bereich 36 verbundene Kathode und eine elektrisch mit der Anode der Sperrdurchbruchsdiode 47 verbundene Anode.
  • Mit der Sperrdurchbruchsdiode 47 kann eine relativ große Referenzdurchbruchspannung bereitgestellt werden, wodurch die Schutzvorrichtung mit einer relativ hohen Vorwärtssperrspannung ausgelegt ist. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Sperrdurchbruchsdiode 47 eine Zener-Diode oder eine sonstige Dioden-basierte Struktur sein, die ausgelegt ist eine Zener-Diode zu emulieren oder mit einer Zener-Diode vergleichbar zu funktionieren. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Sperrdurchbruchsdiode 47 eine in Sperrrichtung betriebene Übergangs-Diode umfassen, die so dotiert oder anderweitig ausgelegt ist, dass sie eine gewünschte Strombelastbarkeit und/oder Referenzdurchbruchspannung bereitstellt. Jedoch sind auch andere Anordnungen möglich, einschließlich Ausführungsformen, in denen die Sperrdurchbruchsdiode 47 eine Kombination von, zur Bereitstellung einer gewünschten Referenzdurchbruchspannung, in Reihe geschalteter, in Vorwärtsrichtung gepolter Schottky-Dioden umfasst. Die Verwendung von Übergangs-Dioden und/oder Schottky-Dioden kann dazu dienen, auch dann individuell steuerbare Referenzdurchbruchspannungen bereitzustellen, wenn eine Schutzvorrichtung in einem relativ kostengünstigen Verfahren hergestellt wird bei dem Zenerdioden nicht ohne Weiteres verfügbar sind.
  • Obwohl die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 45 eine Ausführungsform einer geeigneten Vorwärts-Triggersteuerschaltung darstellt, sind auch andere Ausführungsformen möglich. In einer Ausführung, zum Beispiel, mit einer relativ niedrigen Vorwärts-Triggerspannung, entfallen die Sperrdurchbruchsdiode 47 und die Diode 55, und es werden stattdessen eine oder mehrere in Vorwärtsrichtung gepolte Dioden seriell verbunden, um eine Vorwärts-Triggerspannung einer gewünschten Größe bereitzustellen.
  • Die Strombegrenzungsschaltung 46 umfasst einen Begrenzungswiderstand 49, der elektrisch zwischen dem E-Modus-Gate-Bereich 36 und dem zweiten Anschluss N2 verbunden ist. In einer Ausführungsform hat der Begrenzungswiderstand 49 einen Widerstandswert der im Bereich von etwa 5 kΩ bis etwa 50 kΩ gewählt ist. Allerdings werden sich dem Durchschnittsfachmann ohne Weiteres auch andere geeignete Widerstandswerte erschließen. Außerdem sind, obwohl in 2 eine Ausführungsform der Strombegrenzungsschaltung 46 dargestellt ist, auch andere Anordnungen möglich, wie zum Beispiel Anordnungen, in denen die Strombegrenzungsschaltung 46 mittels aktiver Bauelemente und/oder Anordnungen realisiert ist, in denen der Widerstand 49 weggelassen oder in Kombination mit anderen Strombegrenzungselementen eingesetzt ist.
  • Die Schutzvorrichtung 20 kann eingesetzt werden, um Schutz vor zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 eintretenden Überspannungs- und/oder Unterspannungsereignissen zu bieten. Zum Beispiel kann die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 45 in Reaktion auf einen Überspannungszustand einen Triggerstrom leiten wenn eine Spannung des ersten Anschlusses N1 eine Spannung des zweiten Anschlusses N2 um die Vorwärts-Triggerspannung der Vorwärts-Triggersteuerschaltung 45 übersteigt. Der Triggerstrom kann die Spannung des E-Modus-Gate-Bereichs 36 erhöhen und einen Leitungsweg in Vorwärtsrichtung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2, bereitstellen wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem E-Modus-Gate-Bereich 36 und dem Source-/Drain-Bereich 27 größer ist als ungefähr die Schwellenspannung des E-Modus-Gate-Bereichs 36. Außerdem kann ein Teil des Triggerstroms durch die Strombegrenzungsschaltung 46 fließen, wodurch eine Spannungsdifferenz zwischen dem E-Modus-Gate-Bereich 36 und dem Source-/Drain-Bereich 27 erhöht und der Widerstand des Leitungswegs in Vorwärtsrichtung reduziert werden kann.
  • Der Leitungsweg in Vorwärtsrichtung umfasst einen ersten Stromweg vom ersten Anschluss N1 zum zweiten Anschluss N2 durch den Drain-/Source-Bereich 26 und den 2DEG-Bereich der InGaAs-Schicht 23. Außerdem kann, bei einer ausreichend hohen Gate-Spannung, eine Schottky-Dioden-Struktur zwischen dem ersten D-Modus-Gate-Bereich 35a und der n-AlGaAs-Schicht 25 einen in Vorwärtsrichtung gepolten Zustand einnehmen und einen zweiten Stromweg zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 durch die n-AlGaAs Schicht 25 bereitstellen.
  • In Reaktion auf einen Unterspannungszustand zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2, kann die Schutzvorrichtung 20 einen Leitungsweg in Rückwärtsrichtung durch den 2DEG-Bereich bereitstellen wenn die Spannung des zweiten Anschlusses N2 eine Spannung erreicht, die ausreicht, um den E-Modus-Gate-Bereich 36 zu aktivieren. Zusätzlich kann, bei einer ausreichend hohen Spannung, eine Schottky-Dioden-Struktur zwischen dem ersten D-Modus-Gate-Bereich 35a und der n-AlGaAs-Schicht 25 einen in Vorwärtsrichtung gepolten Zustand einnehmen und einen zusätzlichen Stromweg zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 durch die n-AlGaAs-Schicht 25 bereitstellen.
  • Obwohl in 2 eine Ausführungsform einer Schutzvorrichtung dargestellt ist, können auch andere Anordnungen eingesetzt werden. Außerdem ist, obwohl die Schutzvorrichtung im Zusammenhang mit einem GaAs-Verfahren dargestellt wurde, die hier beschriebene Lehre auch auf andere Verbindungshalbleiter-Technologien, wie zum Beispiel Gallium-Nitrid(GaN)- und Indiumphosphid(InP)-Technologien, anwendbar. Dementsprechend können bei bestimmten Ausführungsformen das GaAs-Substrat 21, der Drain-/Source-Bereich 26, der Source-/Drain-Bereich 27 und/oder die Heteroübergangsstruktur 22 auch andere für die Verwendung in der Halbleiterfertigung geeignete Materialien umfassen.
  • 3 zeigt ein Diagramm 100, in dem für ein Beispiel des Heteroübergangs-Schutzbegrenzers 10 von 1 die Spannung gegen den Strom aufgetragen ist. Die Spannung ist entlang einer horizontalen Achse dargestellt und der Strom entlang einer vertikalen Achse. Das Diagramm 100 zeigt eine Strom-Spannungs-Reaktion für eine Anordnung mit einem Heteroübergangs-Schutzbegrenzer 10 der 1, in der die Vorwärts-Triggerspannung so ausgelegt ist, dass sie etwa 12 V beträgt, und in der die E-Modus-Gate-Schwellenspannung ungefähr 0,3 V beträgt. Jedoch kann die Vorwärts-Triggerspannung und/oder die E-Modus-Gate-Schwellenspannung auch für andere Werte ausgelegt werden. Wie 3 zu entnehmen ist, kann der Heteroübergangs-Schutzbegrenzer sowohl Über- als auch Unterspannungsschutz bereitstellen.
  • 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung 300, in der der Multi-Gate-HEMT 9 von 1 gemäß einer möglichen Ausführungsform umgesetzt ist. Die Schutzvorrichtung 300 umfasst Drain-/Source-Bereiche 26, Source-/Drain-Bereiche 27, erste und zweite D-Modus-Gate-Bereiche 35a, 35b, einen E-Modus-Gate-Bereich 36, einen ersten unteren Metall- oder METALL1-Bereich 301, einen zweiten METALL1-Bereich 302, einen ersten oberen Metall- oder METALL2-Bereich 303 und einen zweiten METALL2-Bereich 304. Die Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung 300 ist auf einem Substrat, wie zum Beispiel einem GaAs-Substrat gebildet und kann andere Strukturen oder Merkmale, einschließlich, beispielsweise eine Heteroübergangsstruktur, Kontaktbereiche, Durchkontaktierungen und/oder zusätzliche Metallbereiche umfassen. Der Fachmann wird erkennen, dass diese Angaben in dieser Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden.
  • Die Drain-/Source-Bereiche 26 und die Source-/Drain-Bereiche 27 sind nebeneinander in einer Spalte angeordnet, wobei jeder Drain-/Source-Bereich 26 zwischen zwei benachbarten Source-/Drain-Bereichen 27 angeordnet ist. In der dargestellten Anordnung besitzen die Drain-/Source-Bereiche 26 und die Source-/Drain-Bereiche 27 jeweils eine Breite d1, die in bestimmten Ausführungsformen zum Beispiel im Bereich von etwa 50 µm bis etwa 1000 µm liegen kann. Allerdings werden sich dem Durchschnittsfachmann ohne Weiteres auch weitere geeignete Bereichsbreiten erschließen. Obwohl in 6 eine Anordnung mit drei Drain-/Source-Bereichen 26 und vier Source-/Drain-Bereichen 27 dargestellt ist, kann die Schutzvorrichtung 300 auch mehr oder weniger Drain-/Source-Bereiche 26 und/oder Source-/Drain-Bereiche 27 umfassen. Zum Beispiel ist in einer Ausführungsform die Gesamtzahl der Drain-/Source-Bereiche 26 und Source-/Drain-Bereiche 27 im Bereich von etwa 2 bis etwa 24 gewählt.
  • Die ersten und zweiten D-Modus-Gate-Bereiche 35a, 35b und der E-Modus-Gate-Bereich 36 sind als schlangenlinienförmige Strukturen ausgeführt, die sich zwischen den Drain-/Source-Bereichen 26 und den Source-/Drain-Bereichen 27 hindurchschlängeln oder winden. Wie in 4 dargestellt, besitzt der E-Modus-Gate-Bereich 36 eine Breite d2 und der erste und zweite D-Modus-Gate-Bereich 35a, 35b besitzen eine Breite d3. In einer Ausführungsform ist die Breite d3 des ersten und zweiten D-Modus-Gate-Bereichs 35a, 35b so gewählt, dass sie zwischen etwa 2 bis etwa 5 Mal größer ist als die Breite d2 des E-Modus-Gate-Bereichs 36. Jedoch sind auch andere Anordnungen möglich. Außerdem können, obwohl in 4 eine Anordnung dargestellt ist, in der die D-Modus-Gate-Bereiche übereinstimmende Breiten haben, in anderen Ausführungsformen die D-Modus-Gate-Breiten auch asymmetrisch sein.
  • Der erste METALL1-Bereich 301 wurde ausgelegt, elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Abschnitten des ersten D-Modus-Gate-Bereichs 35a bereitzustellen. Zum Beispiel ist der dargestellte erste D-Modus-Gate-Bereich 35a schlangenlinienförmig und umfasst Windungen mit Randabschnitten, und der erste METALL1-Bereich 301 wurde dazu verwendet, einer ersten oder linken Seite des Geräts zugeordnete Randabschnitte zu verbinden. Durch ein derartiges Verbinden des ersten METALL1-Bereichs 301 kann der Widerstand des ersten D-Modus-Gate-Bereichs 35a reduziert werden, wodurch eine gleichmäßige Stromleitung der Vorrichtung begünstigt wird. In bestimmten Ausführungsformen ist der erste METALL2-Bereich 303 über mindestens einem Abschnitt des ersten METALL1-Bereichs 301 angeordnet und elektrisch mit diesem Abschnitt verbunden, um den Gate-Widerstand weiter zu reduzieren und eine einheitliche Stromleitung zu fördern. Wie in 6 dargestellt ist, sind Abschnitte des ersten METALL1-Bereichs 301 so ausgelegt, dass sie sich zwischen Windungen des ersten D-Modus-Gate-Bereichs 35a erstrecken und die Drain-/Source-Bereiche 26 elektrisch kontaktieren. Der erste METALL1-Bereich 301 und/oder der erste METALL2-Bereich 303 kann als der erste Anschluss N1 der Schutzvorrichtung 300 dienen.
  • Der zweite METALL1-Bereich 302 ist ausgelegt, elektrische Verbindungen zwischen Randabschnitten des zweiten D-Modus-Gate-Bereichs 35b bereitzustellen, die der zweiten oder rechten Seite der Vorrichtung zugeordnet sind. Ferner sind Abschnitte des zweiten METALL1-Bereichs 302 so ausgelegt, dass sie zwischen Windungen des zweiten D-Modus-Gate-Bereichs 35b verlaufen und die Source-/Drain-Bereiche 27 elektrisch kontaktieren. In bestimmten Ausführungsformen ist der zweite METALL2-Bereich 304 über mindestens einem Abschnitt des zweiten METALL1-Bereichs 302 angeordnet und elektrisch mit diesem Abschnitt verbunden. Der zweite METALL1-Bereich 302 und/oder der zweite METALL2-Bereich 304 kann als der zweite Anschluss N2 der Schutzvorrichtung 300 dienen.
  • Weitere Einzelheiten der Schutzvorrichtung 300 können den vorstehend mit Bezug auf die 1-2 beschriebenen entsprechen. Obwohl die Schutzvorrichtung 300 eine Ausführungsform einer für eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung geeigneten Ausgestaltung illustriert, können auch andere Ausführungsformen eingesetzt werden.
  • Begriffe wie „oben“, „unten“, „über“, usw., wie sie hier verwendet sind, beziehen sich auf eine räumliche Ausrichtung der Vorrichtung wie sie in den Figuren dargestellt ist und sind dementsprechend auszulegen. Es sollte auch zur Kenntnis genommen werden, dass, weil Bereiche innerhalb einer Halbleitervorrichtung (wie etwa einem Transistor) durch Dotieren von verschiedenen Abschnitten des Halbleitermaterials mit unterschiedlichen Verunreinigungen oder unterschiedlichen Konzentrationen von Verunreinigungen definiert sind, in der hergestellten Vorrichtung diskrete physische Grenzen zwischen verschiedenen Bereichen in der Praxis nicht unbedingt existieren, und Bereiche stattdessen vom einen in den nächsten übergehen können. Einige in den beigefügten Figuren dargestellte Grenzen gehören zu diesem Typ und sind lediglich zur Erleichterung für den Leser als abrupte Strukturen dargestellt. In den oben beschriebenen Ausführungen können Bereiche des p-Typs ein Halbleitermaterial des p-Typs, wie zum Beispiel Bor, als Dotierstoff umfassen. Ferner können Bereiche des n-Typs ein Halbleitermaterial des n-Typs, wie zum Beispiel Phosphor, als Dotierstoff umfassen. Dem Fachmann werden sich verschiedene Konzentrationen von Dotierungen in den vorbeschriebenen Bereichen erschließen.
  • Anwendungen
  • Vorrichtungen, in denen die oben beschriebenen Schutzmaßnahmen eingesetzt werden, können in verschiedenen elektronischen Geräten und Schnittstellen-Anwendungen umgesetzt werden. Bei diesen elektronischen Geräten kann es sich zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, um Verbraucherelektronik-Produkte, Teile dieser Verbraucherelektronik-Produkte, elektronische Prüfgeräte, Industrie- und Kraftfahrzeug-Anwendungen mit hoher Robustheit, usw. handeln. Bei den elektronischen Geräten kann es sich zum Beispiel auch um Schaltungen für optische Netzwerke oder andere Kommunikationsnetze handeln. Bei den Verbraucherelektronik-Produkten kann es sich zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, um ein Mobiltelefon, ein Telefon, ein Fernsehgerät, einen Computer-Monitor, einen Computer, einen Taschencomputer, einen elektronischen Organizer, ein Automobil, einen Fahrzeugmotorsteuerungs-Controller, eine Übertragungssteuerung, einen Sicherheitsgurt-Controller, einen Antiblockiersystem-Controller, einen Camcorder, eine Kamera, eine digitale Kamera, einen tragbaren Speicherchip, eine Waschmaschine, einen Trockner, eine Waschmaschine mit eingebautem Trockner, ein Kopiergerät, ein Faxgerät, einen Scanner, ein multifunktionales Peripheriegerät, usw. handeln. Ferner kann es sich bei dem elektronischen Gerät auch um unfertige Produkte handeln, einschließlich solcher für industrielle, medizinische und Kraftfahrzeug-Anwendungen.
  • In der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen können Elemente oder Merkmale als „verbunden“ oder miteinander „gekoppelt“ bezeichnet sein. Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, bedeutet „verbunden“ im hier verwendeten Sinn, dass ein Element/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Merkmal verbunden ist, und nicht notwendigerweise mechanisch. Ebenso bedeutet, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, „gekoppelt“, dass ein Element/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Merkmal gekoppelt ist, und nicht notwendigerweise mechanisch. Somit können, obwohl in verschiedenen schematischen Darstellungen in den Figuren beispielhafte Anordnungen von Elementen und Komponenten gezeigt sind, in einer Ausführungsform in der Praxis auch zusätzliche Zwischenelemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten vorhanden sein (wenn die Funktionalität der dargestellten Schaltungen nicht beeinträchtigt wird).
  • Es können die verschiedenen vorgehend beschriebenen Ausführungen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zur Verfügung zu stellen. Ferner können bestimmte im Zusammenhang mit einer Ausführungsform gezeigte Merkmale auch in andere Ausführungen aufgenommen werden.

Claims (20)

  1. Vorrichtung, umfassend: einen Multi-Gate-Transistor (9) mit hoher Elektronenbeweglichkeit umfassend einen Drain-/Source-Bereich (7, 26), einen Source-/Drain-Bereich (8, 27), ein erstes Verarmungstyp-Gate (1, 35a), ein zweites Verarmungstyp-Gate (2, 35b) und ein Anreicherungstyp-Gate (3, 36), wobei das Anreicherungstyp-Gate (3, 36) zwischen dem ersten und zweiten Verarmungstyp-Gate angeordnet ist, wobei der Drain-/Source-Bereich (7, 26) und das erste Verarmungstyp-Gate (1, 35a) elektrisch mit einem ersten Anschluss (N1) verbunden sind, und wobei der Source-/Drain-Bereich (8, 27) und das zweite Verarmungstyp-Gate (2, 35b) elektrisch mit einem zweiten Anschluss (N2) elektrisch verbunden sind, eine Strombegrenzungsschaltung (6, 46), die elektrisch zwischen dem Anreicherungstyp-Gate (3, 36) und dem zweiten Anschluss (N2) angeschlossen ist, und eine Vorwärts-Triggersteuerschaltung (5, 45), die elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem Anreicherungstyp-Gate (3, 36) angeschlossen ist, wobei die Vorwärts-Triggersteuerschaltung (5, 45) dafür ausgebildet ist, einen Triggerstrom zu leiten, wenn eine Spannung des ersten Anschlusses (N1) eine Spannung des zweiten Anschlusses (N2) um eine Vorwärts-Triggerspannung übersteigt, und wobei die Triggerspannung dafür ausgebildet ist, das Anreicherungstyp-Gate (3, 36) einzuschalten, um einen Leitungsweg in Vorwärtsrichtung zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anschluss (N2) bereitzustellen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Leitungsweg in Vorwärtsrichtung einen ersten Stromweg zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anschluss (N2) durch einen zweidimensionalen Elektronengas-Bereich des Multi-Gate-Transistors (9) mit hoher Elektronenbeweglichkeit aufweist, und wobei der Leitungsweg in Vorwärtsrichtung des Weiteren einen zweiten Stromweg zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anschluss (N2) durch eine dem ersten Verarmungstyp-Gate zugeordnete Schottky-Diodenstruktur aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strombegrenzungsschaltung (46) dafür ausgebildet ist, zumindest einen Teil des Triggerstroms passieren zu lassen.
  4. Vorrichtung nacheinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strombegrenzungsschaltung (46) ausgelegt ist, das Anreicherungstyp-Gate (3, 36) auf der Basis der Spannung des ersten Anschlusses (N1) vorzuspannen, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss (N1, N2) kleiner ist als die Vorwärts-Triggerspannung.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anreicherungstyp-Gate (3, 36) dafür ausgebildet ist, sich einzuschalten um einen Leitungsweg in Rückwärtsrichtung zwischen dem zweiten Anschluss (N2) und dem ersten Anschluss (N1) bereitzustellen, wenn die Spannung des zweiten Anschlusses (N2) die Spannung des ersten Anschlusses (N1) um etwa eine Schwellenspannung des Anreicherungstyp-Gates (3, 36) überschreitet.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strombegrenzungsschaltung (6, 46) einen Widerstand (49) aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorwärts-Triggersteuerschaltung (5, 45) eine Sperrdurchbruchsdiode (47) und eine erste Diode (48) umfasst, wobei die Sperrdurchbruchsdiode eine elektrisch mit dem ersten Anschluss (N1) verbundene Kathode aufweist und wobei die erste Diode eine elektrisch mit dem Anreicherungstyp-Gate (3, 36) verbundene Kathode und eine elektrisch mit einer Anode der im Sperrdurchbruch arbeitenden Diode verbundene Anode umfasst.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Sperrdurchbruchsdiode mindestens eine der folgenden umfasst: eine Zener-Diode, eine in Sperrrichtung vorbeeinflusste Übergangsdiode, oder eine Mehrzahl von in Vorwärtsrichtung vorbeeinflusster, in Reihe geschalteter Schottky-Dioden.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multi-Gate-Transistor (9) mit hoher Elektronenbeweglichkeit ein pseudomorpher Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit ist.
  10. Vorrichtung, umfassend: ein Substrat (21), eine über dem Substrat (21) angeordnete Heteroübergangsstruktur, einen über der Heteroübergangsstruktur angeordneten und elektrisch mit einem ersten Anschluss (N1) verbundenen Drain-/Source-Bereich (26), einen über der Heteroübergangsstruktur angeordneten und elektrisch mit einem zweiten Anschluss (N2) verbundenen Source-/Drain-Bereich (27), einen über der Heteroübergangsstruktur zwischen dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem Source-/Drain-Bereich (27) angeordneten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36), einen über der Heteroübergangsstruktur zwischen dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) angeordneten ersten Verarmungstyp-Gate-Bereich, wobei der erste Verarmungstyp-Gate-Bereich (35a) elektrisch mit dem ersten Anschluss (N1) verbunden ist, einen zweiten über der Heteroübergangsstruktur zwischen dem Source-/Drain-Bereich (27) und dem Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) angeordneten Verarmungstyp-Gate-Bereich, wobei der zweite Verarmungstyp-Gate-Bereich (35b) elektrisch mit dem zweiten Anschluss (N2) angeschlossen ist; eine Strombegrenzungsschaltung (46), die elektrisch zwischen dem Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) und dem zweiten Anschluss (N2) verbunden ist, und eine Vorwärts-Triggersteuerschaltung (45) die elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) angeschlossen ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Substrat (21) Galliumarsenid aufweist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Heteroübergangsstruktur einen Indium-Gallium-Arsenid-Bereich und einen n-Typ-Aluminium-Gallium-Arsenid-Bereich aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Heteroübergangsstruktur einen unter dem ersten Verarmungstyp-Gate-Bereich, dem Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) und dem zweiten Verarmungstyp-Gate-Bereich befindlichen zweidimensionalen Elektronengas-Bereich aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Strombegrenzungsschaltung (46) einen Widerstand (49) aufweist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei eine Breite des ersten und zweiten Verarmungstyp-Gate-Bereichs (35b) zwischen etwa zweimal bis etwa fünfmal größer ist als eine Breite des Anreicherungstyp-Gate-Bereichs (36).
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der erste Anschluss (N1) elektrisch mit einem Signalpad verbunden ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, ferner umfassend einen rückseitigen, auf einer der Heteroübergangsstruktur gegenüberliegenden Seite des GaAs-Substrats (21) angeordneten Leiter, wobei der zweite Anschluss (N2) elektrisch mit dem rückseitigen Leiter verbunden ist.
  18. Verfahren zur Herstellung eines Schutzbegrenzers, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Heteroübergangsstruktur über einem Substrat (21), Herstellen eines Drain-/Source-Bereichs (26) über der Heteroübergangsstruktur, Herstellen eines Source-/Drain-Bereichs (27) über der Heteroübergangsstruktur, Herstellen eines Anreicherungstyp-Gate-Bereichs (36) über der Heteroübergangsstruktur, wobei der Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) zwischen dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem Source-/Drain-Bereich (27) angeordnet ist, Herstellen eines ersten Verarmungstyp-Gate-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, wobei der erste Verarmungstyp-Gate-Bereich (35a) zwischen dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) angeordnet ist, Herstellen eines zweiten Verarmungstyp-Gate-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, wobei der zweite Verarmungstyp-Gate-Bereich (35b) zwischen dem Source-/Drain-Bereich (27) und dem Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) angeordnet ist, Herstellen einer Strombegrenzungsschaltung (46), wobei die Strombegrenzungsschaltung (46) einen elektrisch mit dem Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) verbundenen ersten Anschluss (N1) und einen elektrisch mit dem zweiten Verarmungstyp-Gate-Bereich und dem Source-/Drain-Bereich (27) verbundenen zweiten Anschluss (N2) aufweist, und Herstellen einer Vorwärts-Triggersteuerschaltung (45), wobei die Vorwärts-Triggersteuerschaltung (45) einen elektrisch mit dem Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36) verbundenen ersten Anschluss (N1) und einen elektrisch mit dem ersten Verarmungstyp-Gate-Bereich und dem Drain-/Source-Bereich (26) verbundenen zweiten Anschluss (N2) aufweist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Substrat (21) Galliumarsenid aufweist.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Bilden der Heteroübergangsstruktur das Herstellen eines an einen n-leitenden Aluminium-Gallium-Arsenid-Bereich angrenzenden Indium-Gallium-Arsenid-Bereichs umfasst.
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