DE102013109834B4 - Bidirektionale Heteroübergangshalbleiterschutzvorrichtungen und Verfahren zur Bildung derselben - Google Patents

Bidirektionale Heteroübergangshalbleiterschutzvorrichtungen und Verfahren zur Bildung derselben Download PDF

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Abstract

Vorrichtung, aufweisend: einen Multigate-Transistor (9) mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT), aufweisend einen Drain-/Source-Bereich (7; 26), einen Source-/Drain-Bereich (8; 27), ein erstes Verarmungstyp-Gate (1; 35a), ein zweites Verarmungstyp-Gate (2; 35b), ein erstes Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) und ein zweites Anreicherungstyp-Gate (4; 36b), wobei das erste Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) zwischen dem ersten (1; 35a) und zweiten (2; 35b) Verarmungs-Gate angeordnet ist, wobei das zweite Anreicherungstyp-Gate (4; 36b) zwischen dem ersten Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) und dem zweiten Verarmungs-Gate (2; 35b) angeordnet ist, und wobei der Drain-/Source-Bereich (7; 26) und das erste Verarmungs-Gate (1; 35a) elektrisch mit einem ersten Anschluss (N1) verbunden sind, und wobei der Source-/Drain-Bereich (8; 27) und das zweite Verarmungs-Gate (2; 35b) elektrisch mit einem zweiten Anschluss (N2) verbunden sind, einen Vorwärtsleitungs-Steuerblock (5; 45), der elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anschluss (N2) verbunden ist, und ausgelegt ist, eine Gate-Spannung des zweiten Anreicherungstyp-Gates (4; 36b) zu steuern, wobei der Vorwärtsleitungs-Steuerblock (5; 45) ausgelegt ist, das zweite Anreicherungstyp-Gate (4; 36b) einzuschalten wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss (N1, N2) größer ist als eine Vorwärtsleitungs-Triggerspannung und anderenfalls das zweite Anreicherungstyp-Gate (4; 36b) auf der Basis einer Spannung des zweiten Anschlusses (N2) vorzuspannen, und einen Rückwärtsleitungs-Steuerblock (6; 46), der elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anschluss (N2) verbunden ist, und ausgelegt ist, eine Gate-Spannung des ersten Anreicherungstyp-Gates (3; 36a) zu steuern, wobei der Rückwärtsleitungs-Steuerblock (6; 46) ausgelegt ist, das erste Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) einzuschalten wenn die Spannungsdifferenz kleiner ist als eine Rückwärtsleitungs-Triggerspannung, und das erste Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) anderenfalls auf der Basis einer Spannung des ersten Anschlusses (N1) vorzuspannen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Ausführungen 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 transienten elektrischen Ereignissen oder elektrischen Signalen 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 über relativ kleine Bereiche des IC. Durch eine hohe Energiedissipation kann sich die Temperatur des Schaltkreises erhöhen, was zu zahlreichen Problemen, wie Übergangsbeschädigung, Metallschäden und/oder Oberflächenaufladung 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 sich der Schutz gegen transiente elektrische Ereignisse schwierig gestalten. Zum Beispiel können herkömmliche ESD/EOS-Schutzvorrichtungen eine große parasitäre Kapazität mit sich bringen, 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 Schutzvorrichtungen und -beschaltungen für den Schutz von Verbindungshalbleiterschaltungen, einschließlich, zum Beispiel, Schutzvorrichtungen und -beschaltungen mit hoher Strombelastbarkeit und von kompakter Größe.
  • US 2009/0086394 A1 offenbart eine Trigger-Schaltung, die zum Schutz gegen eine Überspannung verwendet wird. Es wird gezeigt, wie die Auslösezeiten bei einem JFET der Schaltung, der dem Überspannungsschutz dient, beschleunigt werden können.
  • US 2012/0217542 A1 zeigt eine Schaltung, bei der ein HFET als ein Schalter in einem Matrix-Wandler verwendet wird. Eine Stabilisierschaltung wird verwendet, um das Potential des Substrats auf das höhere Potential der Potentiale der Schaltelektroden einzustellen.
  • DARSTELLUNG
  • In einer Ausführung umfasst eine Vorrichtung einen Multigate-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, einem ersten Anreicherungstyp- bzw. „Enhancement-Modus”(E-Modus)-Gate und einem zweiten E-Modus-Gate. Das erste E-Modus-Gate ist zwischen dem ersten und zweiten D-Modus-Gate angeordnet, und das zweite E-Modus-Gate ist zwischen dem ersten E-Modus-Gate 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. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Vorwärtsleitungs-Steuerblock und einen Rückwärtsleitungs-Steuerblock. Der Vorwärtsleitungs-Steuerblock ist elektrisch zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden, und ausgelegt, eine Gate-Spannung des zweiten E-Modus-Gates zu steuern. Der Vorwärtsleitungs-Steuerblock ist ausgelegt, das zweite E-Modus-Gate einzuschalten wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss größer ist als eine Vorwärtsleitungs-Triggerspannung, und andernfalls das zweite E-Modus-Gate auf der Basis einer Spannung des zweiten Anschlusses vorzubeeinflussen. Der Rückwärtsleitungs-Steuerblock ist elektrisch zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden, und ist ausgelegt, eine Gate-Spannung des ersten E-Modus-Gates zu steuern. Der Rückwärtsleitungs-Steuerblock ist ausgelegt, das erste E-Modus-Gate einzuschalten wenn die Spannungsdifferenz kleiner ist als eine Rückwärtsleitungs-Triggerspannung und anderenfalls das erste E-Modus-Gate auf der Basis einer Spannung des ersten Anschlusses vorzubeeinflussen.
  • In einer anderen Ausführung 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 ersten E-Modus-Gate-Bereich, einen über der Heteroübergangsstruktur zwischen dem Drain-/Source-Bereich und dem ersten E-Modus-Gate-Bereich angeordneten ersten D-Modus-Gate-Bereich, einen über der Heteroübergangsstruktur zwischen dem Source-/Drain-Bereich und dem ersten E-Modus-Gate-Bereich angeordneten zweiten Anreicherungstyp- bzw. ”Enhancement-Modus”(E-Modus)-Gate-Bereich, einen über der Heteroübergangsstruktur zwischen dem Source-/Drain-Bereich und dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich angeordneten zweiten D-Modus-Gate-Bereich, einen Vorwärtsleitungs-Steuerblock und einen Rückwärtsleitungs-Steuerblock. 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. Der Vorwärtsleitungs-Steuerblock ist elektrisch zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden, und ist ausgelegt, eine Spannung des zweiten E-Modus-Gate-Bereichs zu steuern. Der Rückwärtsleitungs-Steuerblock ist elektrisch zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden, und ist ausgelegt, eine Spannung des ersten E-Modus-Gate-Bereichs zu steuern.
  • In einer anderen Ausführung wird ein Verfahren zur Herstellung einer bidirektionalen Verbindungshalbleiter-Schutzschaltung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bilden einer Heteroübergangsstruktur über einem Substrat, Bilden eines Drain-/Source-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Bilden eines Source-/Drain-Bereichs über der Heteroübergangstruktur, Bilden eines ersten E-Modus-Gate-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Bilden eines ersten D-Modus-Gate-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Bilden eines zweiten E-Modus-Gate-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Bilden eines zweiten D-Modus-Gate-Bereichs über der Heteroübergangsstruktur, Bilden eines Vorwärtsleitungs-Steuerblocks und Bilden eines Rückwärtsleitungs-Steuerblocks. Der erste 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 ersten E-Modus-Gate-Bereich angeordnet. Ferner ist der zweite E-Modus-Gate-Bereich zwischen dem Source-/Drain-Bereich und dem ersten E-Modus-Gate-Bereich angeordnet und der zweite D-Modus-Gate-Bereich ist zwischen dem Source-/Drain-Bereich und dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich angeordnet. Der Vorwärtsleitungs-Steuerblock umfasst einen elektrisch mit dem Drain-/Source-Bereich und dem ersten D-Modus-Gate-Bereich verbundenen ersten Anschluss, einen elektrisch mit dem Source-/Drain-Bereich und dem zweiten D-Modus-Gate-Bereich verbundenen zweiten Anschluss, und einen elektrisch mit dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich verbundenen Steueranschluss. Der Rückwärtsleitungs-Steuerblock umfasst einen elektrisch mit dem Drain-/Source-Bereich und dem ersten D-Modus-Gate-Bereich verbundenen ersten Anschluss, einen elektrisch mit dem Source-/Drain-Bereich und dem zweiten D-Modus-Gate-Bereich verbundenen zweiten Anschluss, und einen elektrisch mit dem ersten E-Modus-Gate-Bereich verbundenen Steueranschluss.
  • In einer anderen Ausführung umfasst eine Vorrichtung einen Multigate-HEMT mit einem Drain-/Source-Bereich, einem Source-/Drain-Bereich, einem ersten E-Modus-Gate, einem zweiten E-Modus-Gate, einem Vorwärtsleitungs-Steuerblock und einem Rückwärtsleitungs-Steuerblock. Das erste E-Modus-Gate ist zwischen dem Drain-/Source-Bereich und dem zweiten E-Modus-Gate angeordnet, und das zweite E-Modus-Gate ist zwischen dem ersten E-Modus-Gate und dem Source-/Drain-Bereich angeordnet. Der Drain-/Source-Bereich ist elektrisch mit einem ersten Anschluss verbunden und der Source-/Drain-Bereich ist elektrisch mit einem zweiten Anschluss verbunden. Der Vorwärtsleitungs-Steuerblock ist elektrisch zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden, und ist ausgelegt, eine Gate-Spannung des zweiten E-Modus-Gates zu steuern. Der Vorwärtsleitungs-Steuerblock ist ausgelegt, das zweite E-Modus-Gate einzuschalten wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss größer ist als eine Vorwärtsleitungs-Triggerspannung und andernfalls das zweite E-Modus-Gate auf der Basis einer Spannung des zweiten Anschlusses vorzuspannen. Der Rückwärtsleitungs-Steuerblock ist elektrisch zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden, und ist ausgelegt, eine Gate-Spannung des ersten E-Modus-Gates zu steuern. Der Rückwärtsleitungs-Steuerblock ist ausgelegt, das erste E-Modus-Gate einzuschalten wenn die Spannungsdifferenz kleiner ist als eine Rückwärtsleitungs-Triggerspannung und anderenfalls das erste E-Modus-Gate auf der Basis einer Spannung des ersten Anschlusses vorzuspannen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführung einer bidirektionalen Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung, in der die bidirektionale Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung aus 1 gemäß einer möglichen Ausführung umgesetzt ist.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung, in der die bidirektionale Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung aus 1 gemäß einer anderen Ausführung umgesetzt ist.
  • 4A zeigt ein Schaltbild einer bidirektionalen Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung.
  • 4B zeigt ein Schaltbild noch einer weiteren bidirektionalen Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung.
  • 5 zeigt ein Diagramm, in dem für ein Beispiel der bidirektionalen Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung aus 1 die Spannung gegen den Strom aufgetragen ist.
  • 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung, in der der Multigate-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) aus 1 gemäß einer möglichen Ausführung umgesetzt ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGEN
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungen sind mehrere spezifische Ausführungen der Erfindung dargestellt. Die Erfindung kann jedoch in einer Vielzahl von möglichen Ausführungswegen, 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 gleichwirkende Elemente beziehen.
  • Es werden bidirektionale Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltungen und Verfahren zur Bildung derselben aufgezeigt. In bestimmten Ausführungsformen ist zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss eine Schutzschaltung bereitgestellt und umfasst einen Multigate-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT), einen Vorwärtsleitungs-Steuerblock und einen Rückwärtsleitungs-Steuerblock. Der Multigate-HEMT umfasst einen Drain-/Source-Bereich, ein erstes Verarmungstyp- bzw. „Depletion-Modus”(D-Modus)-Gate, ein erstes Anreicherungstyp- bzw. „Enhancement-Modus”(E-Modus)-Gate, ein zweites E-Modus-Gate, ein zweites D-Modus-Gate und einen Source-/Drain-Bereich. Der Multigate-HEMT ist zwischen dem ersten und zweiten Anschluss verbunden, 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. Der Vorwärtsleitungs-Steuerblock stellt eine Aktivierungsspannung an das zweite E-Modus-Gate bereit wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss größer ist als eine Vorwärtsleitungs-Triggerspannung, und spannt anderenfalls das zweite E-Modus-Gate auf der Basis der Spannung des zweiten Anschlusses vor. Ferner stellt der Rückwärtsleitungs-Steuerblock eine Aktivierungsspannung an das erste E-Modus-Gate bereit wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss kleiner ist als eine Rückwärtsleitungs-Triggerspannung, und spannt anderenfalls das erste E-Modus-Gate auf der Basis der Spannung des ersten Anschlusses vor.
  • Die Vorwärtsleitungs- bzw. Rückwärtsleitungs-Steuerblöcke betreiben die Schutzschaltung während normaler Betriebsbedingungen, bei denen die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss größer ist als die Rückwärtsaktivierungs-Triggerspannung aber kleiner als die Vorwärtsaktivierungs-Triggerspannung, in einem hochohmigen Zustand. Wenn jedoch die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss größer ist als die Vorwärtsaktivierungs-Triggerspannung, oder wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss kleiner ist als die Rückwärtsaktivierungs-Triggerspannung, können die Vorwärtsleitungs- bzw. Rückwärtsleitungs-Steuerblöcke die Schutzschaltung in einem niederohmigen Zustand betreiben, der dazu dient, Schutz gegen transiente elektrische Ereignisse zu bieten.
  • Die Vorwärtsleitungs- bzw. Rückwärtsleitungs-Steuerblöcke können separat eingestellt werden, um gewünschte Vorwärtsleitungs- und Rückwärtsleitungs-Triggerspannungen bereitzustellen, so dass eine gewünschte Schutzcharakteristik bereitgestellt werden kann. Die Vorwärtsleitungs- und Rückwärtsleitungs-Triggerspannungen können symmetrisch oder asymmetrisch sein und können hohe oder niedrige Sperrspannungshöhen umfassen. Die Schutzschaltung kann eine schnelle Aktivierungszeit, eine kleine Fläche und eine geringe parasitäre Kapazität aufweisen.
  • 1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer bidirektionalen Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung 10. Die Schutzschaltung 10 umfasst einen Vorwärtsleitungs-Steuerblock 5, einen Rückwärtsleitungs-Steuerblock 6 und einen Multigate-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) 9. Der Multigate-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, ein erstes Anreicherungstyp- bzw. „Enhancement-Modus”(E-Modus)-Gate 3 und ein zweites E-Modus-Gate 4. Wie in 1 dargestellt, ist die Schutzschaltung 10 elektrisch zwischen einem ersten Anschluss N1 und einem zweiten Anschluss N2 verbunden.
  • Der Vorwärtsleitungs-Steuerblock 5 umfasst einen ersten Eingang, der elektrisch mit dem ersten Anschluss N1 verbunden ist, einen zweiten Eingang, der elektrisch mit dem zweiten Anschluss N2 verbunden ist, und einen Steuerausgang der elektrisch mit dem zweiten E-Modus-Gate 4 verbunden ist. Der Rückwärtsleitungs-Steuerblock 6 umfasst einen ersten Eingang, der elektrisch mit dem ersten Anschluss N1 verbunden ist, einen zweiten Eingang, der elektrisch mit dem zweiten Anschluss N2 verbunden ist, und einen Steuerausgang der elektrisch mit dem ersten E-Modus-Gate 3 verbunden ist. 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.
  • Der Multigate-HEMT 9 kann bidirektional arbeiten und eine 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 Multigate-HEMT 9 als Drain und der Source-/Drain-Bereich 8 des Multigate-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 Multigate-HEMT 9 als Source und der Source-/Drain-Bereich 8 des Multigate-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 etwa 0 V. Im Gegensatz dazu sind das erste und zweite E-Modus-Gate 3, 4 Anreicherungstyp-Gates, bzw. selbstsperrende Gates, mit einer Schwellenspannung von mehr als etwa 0 V. In einer Ausführung haben das erste und zweite D-Modus-Gate 1, 2 eine Schwellenspannung im Bereich von etwa –1 V bis etwa –2 V, und das erste und zweite E-Modus-Gate 3, 4 haben 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 ersten E-Modus-Gate 3 so vorgespannt 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 zweiten E-Modus-Gate 4 kann so vorgespannt werden, dass dessen Spannung ungefähr gleich der Spannung des zweiten Anschlusses N2 ist.
  • Als Multigate-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 Multigate-HEMT 9 ein pseudomorphischer Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (pHEMT).
  • Der erste und zweite Anschluss N1, N2 können bei normalen Schaltungsbetriebsbedingungen innerhalb eines festgelegten Spannungsbereichs arbeiten, zum Beispiel in einem Spannungsbetriebsbereich, der dem Aufbau eines integrierten Schaltkreises oder den Herstellerangaben entspricht. Zum Beispiel können bei bestimmten Ausführungsformen normale Schaltungsbetriebsbedingungen mit einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluss N1 und dem zweiten Anschluss N2 von zwischen etwa +15 V und etwa –15 V verbunden sein. Allerdings werden sich dem Durchschnittsfachmann ohne Weiteres auch andere geeignete Betriebsspannungsbedingungen erschließen.
  • In einer Ausführungsform ist der erste Anschluss N1 mit einem ersten Signalpad eines integrierten Schaltkreises verbunden und der zweite Anschluss N2 ist mit einem zweiten Signalpad des integrierten Schaltkreises verbunden. Jedoch sind auch andere Ausführungsformen möglich, wie zum Beispiel Anordnungen bei denen der erste Anschluss N1 mit einer High-Side-Versorgung verbunden ist und der zweite Anschluss N2 mit einer Low-Side-Versorgung, Anordnungen bei denen der erste Anschluss N1 mit einer High-Side- oder Low-Side-Versorgung verbunden ist und der zweite Anschluss N2 mit einem Signalpad, oder Anordnungen bei denen der erste Anschluss N1 mit einem Signalpad verbunden ist und der zweite Anschluss N2 mit einer High-Side- oder Low-Side-Versorgung.
  • Wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluss N1 und dem zweiten Anschluss N2 kleiner ist als eine Vorwärtsleitungs-Triggerspannung des Vorwärtsleitungs-Steuerblocks 5, kann der Vorwärtsleitungs-Steuerblock 5 das zweite E-Modus Gate 4 auf eine Spannung vorspannen, die gleich oder nahe der Spannung des zweiten Anschlusses N2 ist. Wenn jedoch die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss N1, N2 größer ist als die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung, kann der Vorwärtsleitungs-Steuerblock 5 das zweite E-Modus-Gate 4 einschalten, indem er dem zweiten E-Modus-Gate 4 eine Aktivierungsspannung bereitstellt, die ausreichend ist, um einen leitfähigen Weg unter dem zweiten E-Modus Gate 4 durch den Kanal des HEMT bereitzustellen.
  • Zudem kann, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluss N1 und dem zweiten Anschluss N2 größer ist als eine Rückwärtsleitungs-Triggerspannung des Rückwärtsleitungs-Steuerblocks 6, der Rückwärtsleitungs-Steuerblock 6 das erste E-Modus-Gate 3 auf eine Spannung vorbeeinflussen, die gleich oder nahe der Spannung des ersten Anschlusses N1 ist. Wenn jedoch die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss N1, N2 kleiner ist als die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung, kann der Rückwärtsleitungs-Steuerblock 6 das erste E-Modus-Gate 3 einschalten, indem er dem zweiten E-Modus-Gate 3 eine Aktivierungsspannung bereitstellt.
  • Eine solche Auslegung der Vorwärtsleitungs- bzw. Rückwärtsleitungs-Steuerblocks 5, 6, ermöglicht, dass sich die Schutzschaltung 10 unter normalen Betriebsbedingungen, bei denen die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 größer ist als die Rückwärtstrigger-Aktivierungsspannung aber kleiner als die Vorwärtstrigger-Aktivierungsspannung, in einem hochohmigen oder AUS-Zustand befinden. Wenn jedoch die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss N1, N2 größer ist als die Vorwärtsaktivierungs-Triggerspannung, oder wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 kleiner ist als die Rückwärtsaktivierungs-Triggerspannung, kann die Schutzschaltung 10 in einen niederohmigen oder AN-Zustand übergehen. Somit 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.
  • Wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss N1, N2 positiv, aber kleiner als die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung ist, kann der Vorwärtsleitungs-Steuerblock 5 das zweite E-Modus-Gate 4 ausschalten, indem er das zweite E-Modus-Gate 4 so vorbeeinflusst, dass eine Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten E-Modus-Gate 4 und dem Source-/Drain-Bereich 8 kleiner ist als die Schwellenspannung des zweiten E-Modus-Gates 4. Somit kann, obwohl das erste E-Modus-Gate 3 eingeschaltet werden kann wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 positiv ist, der Vorwärtsleitungs-Steuerblock 5 den Abschnitt des Kanals unter dem zweiten E-Modus-Gate 4 in einem gesperrten oder nichtleitenden Zustand halten, bis die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 größer ist als die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung.
  • In ähnlicher Weise kann, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 negativ, aber größer als die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung ist, der Rückwärtsleitungs-Steuerblock 6 das erste E-Modus-Gate 3 ausschalten, indem er das erste E-Modus-Gate 3 so vorspannt, dass eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten E-Modus-Gate 3 und dem Drain-/Source-Bereich 7 kleiner ist als die Schwellenspannung des ersten E-Modus-Gates 3. Somit kann, obwohl das zweite E-Modus-Gate 4 eingeschaltet werden kann wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 negativ ist, der Rückwärtsleitungs-Steuerblock 6 den Abschnitt des Kanals unter dem ersten E-Modus-Gate 3 in einem nichtleitenden oder AUS-Zustand halten bis die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 kleiner ist als die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung.
  • Somit kann der Vorwärtsleitungs-Steuerblock 5 dazu verwendet werden, die Vorwärtsaktivierungs-Triggerspannung der Schutzschaltung zu steuern, und der Rückwärtsleitungs-Steuerblock 6 kann dazu verwendet werden, die Rückwärtsaktivierungs-Triggerspannung der Schutzschaltung zu steuern. Die Vorwärtsaktivierungs- und Rückwärtsaktivierungs-Triggerspannungen können separat eingestellt werden, um eine für die jeweilige Anwendung geeignete Gesamt-Schutzkennlinie zu erzielen, einschließlich einer asymmetrischen, hohe und/oder niedrige positive oder negative Sperrspannungen umfassenden Kennlinie. In einer Ausführung ist die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung im Bereich von etwa 5 V bis etwa 15 V gewählt und die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung ist im Bereich von etwa –5 V bis etwa –15 V gewählt. Allerdings werden sich dem Durchschnittsfachmann ohne Weiteres auch andere Spannungen erschließen, wie zum Beispiel system- oder prozessbedingte Spannungen.
  • Obwohl der Multigate-HEMT 9 mit vier Gates gezeigt ist, kann der Multigate-HEMT 9 auch um zusätzliche Gates erweitert werden. Des Weiteren kann in bestimmten Ausführungsformen das erste D-Modus-Gate 1 und/oder das zweite D-Modus-Gate 2 entfallen.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung 20, in der die bidirektionale Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung 10 aus 1 gemäß einer möglichen Ausführung umgesetzt ist. Die Schutzvorrichtung 20 umfasst ein Galliumarsenid(GaAs)-Substrat 21, eine Heteroübergangsstruktur 22, einen Drain-/Source-Bereich 26, einen Source-/Drain-Bereich 27, einen ersten D-Modus-Gate-Bereich 35a, einen zweiten D-Modus-Gatebereich 35b, einen ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a, einen zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36b, einen rückseitigen Leiter 39, einen Vorwärtsleitungs-Steuerblock 45, einen Rückwärtsleitungs-Steuerblock 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 Beabstandungs-Schicht 24, und eine über der Beabstandungs-Schicht 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 30a 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. Des Weiteren ist der Source-/Drain-Bereich 27 über der Heteroübergangstruktur 22 dem Drain-/Source-Bereich 26 benachbart 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 zweiten Kontaktbereich 32b. In der dargestellten Anordnung weisen der erste und zweite stark dotierte n-Typ-GaAs-Bereich 31a, 31b eine höhere Dotierungskonzentration auf als der erste und zweite dotierte n-Typ-GaAs-Bereich 30a, 30b.
  • Der erste E-Modus-Gate-Bereich 36a ist über der Heteroübergangsstruktur 22 zwischen dem Drain-/Source-Bereich 26 und dem Source-/Drain-Bereich 27 angeordnet. Ferner ist der zweite E-Modus-Gate-Bereich 36b über der Heteroübergangstruktur 22 zwischen dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a und dem Source-/Drain-Bereich 27 angeordnet. Ferner ist der erste D-Modus-Gate-Bereich 35a über der Heterostruktur 22 zwischen dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a und dem Drain-/Source-Bereich 26 angeordnet. Ferner ist der zweite D-Modus-Gate-Bereich 35b über der Heteroübergangsstruktur 22 zwischen dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36b und dem Source-/Drain-Bereich 27 angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen umfasst der erste und zweite D-Modus-Gate-Bereich 35a, 35b und der erste und zweite E-Modus-Gate-Bereich 36a, 36b Metall. Zum Beispiel können in einer Ausführung der erste und zweite D-Modus-Gate-Bereiche 35a, 35b und der erste und zweite E-Modus-Gate-Bereich 36a, 36b mindestens eines der folgenden umfassen: Nickel (Ni), Gold (Au), Titan (Ti) oder Platin (Pt). Wie der Fachmann erkennen wird, kann ein, einem Gate eines HEMT zugeordneter Metall-Halbleiter-Übergang als Metall-Halbleiter oder Schottky-Diodenstruktur arbeiten.
  • 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 (through-wafer vias, TWV) günstig sein, die dazu verwendet werden können auf dem GaAs-Substrat 21 gefertigte Transistoren oder sonstige Schaltungen mit dem rückseitigen Leiter 39 zu verbinden. Obwohl bestimmte Dotierungskonzentrationen und -dicken beschrieben wurden, werden sich dem Durchschnittsfachmann 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, der erste E-Modus-Gate-Bereich 36a und der zweite E-Modus-Gate-Bereich 36b arbeiten als Multigate-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, des ersten E-Modus-Gate-Bereichs 36a und des zweiten E-Modus-Gate-Bereichs 36b beeinflusst oder verändert werden.
  • In einer Ausführung 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 Vermeidung von Kollisionen mit Dotierstörstellen zu verbessern. In einer Ausführung, 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 Beabstandungs-Schicht 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 Ausführung umfasst die Beabstandungs-Schicht 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 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 vorbeeinflusst 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.
  • In der dargestellten Ausgestaltung ist der Drain-/Source-Bereich 26 ein expliziter Drain-/Source-Bereich und der Source-/Drain-Bereich 27 ist ein expliziter Source-/Drain-Bereich. Der dargestellte Multi-HEMT-Transistor kann jedoch wirkungsmäßig ähnlich arbeiten wie eine seriell verbundene Kombination aus einem ersten D-Modus-HEMT, einem ersten E-Modus-HEMT, einem zweiten E-Modus-HEMT und einem zweiten D-Modus-HEMT. Dementsprechend kann in bestimmten Ausführungsformen ein erster Abschnitt des 2DEG-Bereichs zwischen dem ersten D-Modus-Gate-Bereich 35a und dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a als ein erster intrinsischer Source-/Drain-Bereich arbeiten, ein zweiter Abschnitt des 2DEG-Bereichs zwischen dem ersten E-Modus-Gate 36a und dem zweite E-Modus-Gate-Bereich 36b kann als ein intrinsischer Drain-/Source-Bereich arbeiten, und ein dritter Abschnitt des 2DEG-Bereichs zwischen dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36b und dem zweiten D-Modus-Gate-Bereich 35b kann als ein zweiter intrinsischer Source-/Drain-Bereich arbeiten.
  • Obwohl die Schutzvorrichtung 20 im Zusammenhang mit einem GaAs-Verfahren dargestellt wurde, ist die hier beschriebene Lehre auch auf andere Verbindungshalbleiter-Technologien, wie zum Beispiel Gallium-Nitrid (GaN) und Indiumphosphid (InP) anwendbar.
  • 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. Weiterhin umfasst der Vorwärtsleitungs-Steuerblock 45 einen ersten Eingang, der elektrisch mit dem ersten Anschluss N1 verbunden ist, einen zweiten Eingang, der elektrisch mit dem zweiten Anschluss N2 verbunden ist, und einen Steuerausgang der elektrisch mit dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36b verbunden ist. Weiterhin umfasst der Rückwärtsleitungs-Steuerblock 46 einen ersten Eingang, der elektrisch mit dem ersten Anschluss N1 verbunden ist, einen zweiten Eingang, der elektrisch mit dem zweiten Anschluss N2 verbunden ist, und einen Steuerausgang, der elektrisch mit dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a verbunden ist.
  • Der dargestellte Vorwärtsleitungs-Steuerblock 45 umfasst eine erste Strombegrenzungsschaltung 51 und eine Vorwärts-Triggersteuerschaltung 52. Die erste Strombegrenzungsschaltung 51 umfasst einen ersten Strombegrenzungswiderstand 53, und die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 52 umfasst eine erste im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 54 und eine erste Diode 55. Der erste Strombegrenzungswiderstand 53 ist elektrisch zwischen dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36b und dem zweiten Anschluss N2 verbunden. Die erste im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 54 umfasst eine mit dem ersten Anschluss N1 elektrisch verbundene Kathode, und die Diode 55 umfasst eine mit dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36b elektrisch verbundene Kathode und eine elektrisch mit der Anode der im Sperrdurchbruch arbeitenden Diode 54 verbundene Anode.
  • Der dargestellte Rückwärtsleitungs-Steuerblock 46 umfasst eine zweite Strombegrenzungsschaltung 61 und eine Rückwärts-Triggersteuerschaltung 62. Die zweite Strombegrenzungsschaltung 61 umfasst einen zweiten Strombegrenzungswiderstand 63 und die Rückwärts-Triggersteuerschaltung 62 umfasst eine zweite im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 64 und eine zweite Diode 65. Der zweite Strombegrenzungswiderstand 63 ist elektrisch zwischen dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a und dem ersten Anschluss N1 verbunden. Die zweite im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 64 umfasst eine mit dem zweiten Anschluss N2 elektrisch verbundene Kathode, und die zweite Diode 65 umfasst eine mit dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a elektrisch verbundene Kathode und eine elektrisch mit der Anode der zweiten im Sperrdurchbruch arbeitenden Diode 64 verbundene Anode.
  • Mit der ersten und zweiten im Sperrdurchbruch arbeitenden Diode 54, 64 kann eine relativ große Referenzdurchbruchspannung bereitgestellt werden, wodurch die Schutzvorrichtung mit relativ hohen bidirektionalen Sperrspannungen ausgelegt ist, die sich für bestimmte Hochspannungsanwendungen eignen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 54, 64 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 arbeiten. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die erste im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 54 und/oder die zweite im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 64 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 erste im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 54 und/oder die zweite im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 64 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.
  • Dementsprechend kann die erste und zweite im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 54, 64 dazu verwendet werden, die Schutzvorrichtung 20 mit einer relativ hohen Vorwärts- bzw. Rückwärts-Aktivierungstriggerspannung auszulegen. Eine Schutzvorrichtung dahingehend auszulegen, dass sie eine oder mehrere im Sperrdurchbruch arbeitende Dioden oder sonstige Komponenten mit hohen Durchbruchspannungen umfasst, kann bei Anwendungen mit hohen Sperrspannungen nützlich sein, wie zum Beispiel bei Ausführungsformen in denen die Vorwärtsaktivierungs-Triggerspannung höher ist als eine Hochpotential-Versorgungsspannung und/oder die Rückwärtsaktivierungs-Triggerspannung kleiner ist als eine Niedrigpotential-Versorgungsspannung.
  • Der erste Strombegrenzungswiderstand 53 kann dazu verwendet werden, die Spannung des zweiten E-Modus-Gate-Bereichs 36b so vorzuspannen, dass diese etwa gleich der Spannung des zweiten Anschlusses N2 ist, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 kleiner ist als eine Vorwärtsaktivierungs-Triggerspannung der Vorwärts-Triggersteuerschaltung 52. In ähnlicher Weise kann der zweite Strombegrenzungswiderstand 63 dazu verwendet werden, die Spannung des ersten E-Modus-Gate 36a so vorzuspannen, dass diese etwa gleich der Spannung des ersten Anschlusses N1 ist, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 größer ist als eine Rückwärtsleitungs-Triggerspannung der Rückwärts-Triggersteuerschaltung 62. In einer Ausführungsform weisen der erste und der zweite Strombegrenzungswiderstand 53, 63 jeweils einen Widerstand auf, 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.
  • Die Schutzvorrichtung 20 kann eingesetzt werden, um Schutz vor zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 eintretenden Überspannungs- und/oder Unterspannungsereignissen zu bieten.
  • In Reaktion auf ein Überspannungsereignis, zum Beispiel, kann die Vorwärtsleitungs-Triggersteuerschaltung 52 einen Vorwärts-Triggerstrom leiten wenn eine Spannung des ersten Anschlusses N1 eine Spannung des zweiten Anschlusses N2 um die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung des Vorwärtsleitungs-Steuerblocks 45 übersteigt. Der Vorwärts-Triggerstrom kann eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36b und dem Source-/Drain-Bereich 27 erhöhen und den 2DEG-Bereich unter dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36b aktivieren. Ferner kann ein Teil des Vorwärts-Triggerstroms durch die erste Strombegrenzungsschaltung 51 fließen, was weiter zur Erhöhung der Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36b und dem Source-/Drain-Bereich 27 beitragen kann. Dementsprechend kann in Reaktion auf einen Überspannungszustand ein niederohmiger Leitungsweg in Vorwärtsrichtung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 bereitgestellt werden. 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 Metallhalbleiter- oder 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.
  • Außerdem kann, in Reaktion auf einen Unterspannungszustand, die Rückwärts-Triggersteuerschaltung 62 einen Rückwärts-Triggerstrom leiten, wenn eine Spannung des ersten Anschlusses N1 um die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung kleiner ist als eine Spannung des zweiten Anschlusses N2. Der Rückwärts-Triggerstrom kann eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a und dem Drain-/Source-Bereich 26 erhöhen. Außerdem kann ein Teil des Rückwärts-Triggerstroms durch die zweite Strombegrenzungsschaltung 61 fließen, wodurch eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a und dem Drain-/Source-Bereich 26 weiter reduziert werden kann. Dementsprechend kann in Reaktion auf ein Unterspannungsereignis ein niederohmiger Leitungsweg in Rückwärtsrichtung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 bereitgestellt werden. Der niederohmige Leitungsweg in Rückwärtsrichtung kann einen ersten Stromweg durch den 2DEG-Bereich via den Source-/Drain-Bereich 27, und einen zweiten Stromweg durch die n-AlGaAs-Schicht 25 via die dem zweiten D-Modus-Gate-Bereich 35b zugeordnete Schottky-Diode umfassen.
  • Obwohl in 2 eine Ausführung der ersten und zweiten Strombegrenzungsschaltung 51, 61 dargestellt wurde, sind auch andere Anordnungen möglich, einschließlich zum Beispiel Anordnungen, in denen Strombegrenzungswiderstände mit Hilfe von aktiven Komponenten umgesetzt sind, und/oder Anordnungen, in denen Strombegrenzungswiderstände entfallen oder in Kombination mit anderen Strombegrenzungselementen eingesetzt sind. Ferner sind, obwohl eine geeignete Ausführungsform der Vorwärts- und Rückwärts-Triggersteuerschaltungen 52, 62 dargestellt wurde, auch andere Ausführungsformen möglich. Zum Beispiel können eine oder mehrere Dioden und/oder andere Strukturen seriell verbunden oder anderweitig angeordnet sein, um Vorwärts- und Rückwärts-Triggerspannungen von einem gewünschten Wert zu erzielen.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung 70, in der die bidirektionale Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung 10 aus 1 gemäß einer anderen möglichen Ausführung umgesetzt ist.
  • Die Schutzeinrichtung 70 gemäß 3 ist der Schutzeinrichtung 20 gemäß 2 ähnlich, nur umfasst die Schutzvorrichtung 70 eine andere Ausführungsform der Vorwärts- und Rückwärts-Triggersteuerschaltungen. Zum Beispiel umfasst der Vorwärtsleitungs-Steuerblock 74 aus 3 eine Vorwärts-Triggersteuerschaltung 82 mit einer Diode 83, welche eine Anode umfasst, die elektrisch mit dem ersten Anschluss N1 verbunden ist, und eine Kathode die elektrisch mit dem zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36b verbunden ist. Außerdem umfasst der Rückwärtsleitungs-Steuerblock 75 aus 3 eine Rückwärts-Triggersteuerschaltung 92 mit einer ersten bis dritten Diode 93–95, die elektrisch zwischen dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a und dem zweiten Anschluss N2 seriell verbunden sind. Die erste Diode 93 umfasst eine Kathode, die elektrisch mit dem ersten E-Modus-Gate-Bereich 36a verbunden ist und eine Anode, die elektrisch mit der Kathode der zweiten Diode 94 verbunden ist, und die dritte Diode 95 umfasst eine Anode, die elektrisch mit dem zweiten Anschluss N2 verbunden ist und eine Kathode, die elektrisch mit einer Anode der zweiten Diode 94 verbunden ist.
  • Im Gegensatz zu der Schutzvorrichtung 20 gemäß 2 sind in der Schutzvorrichtung 70 aus 3 die erste und die zweite im Sperrdurchbruch arbeitende Diode 54, 64 nicht vorhanden. Der Entfall der ersten und zweiten im Sperrdurchbruch arbeitenden Dioden kann dazu beitragen, die Schutzeinrichtung 20 jeweils mit einer relativ niedrigen Vorwärts- bzw. Rückwärts-Aktivierungstriggerspannung auszulegen. Zum Beispiel enthält die dargestellte Vorwärts-Triggersteuerschaltung 82 eine einzelne Diode 83 und die Vorwärtstrigger-Aktivierungstriggerspannung kann ungefähr einem Vorwärtsspannungsabfall der Diode entsprechen. Durch die Wahl der Anzahl der Dioden in der Vorwärts-Triggersteuerschaltung 82 und der Rückwärts-Triggersteuerschaltung 92 können eine gewünschte Vorwärts-Aktivierungstriggerspannung und Rückwärts-Aktivierungstriggerspannung erreicht werden.
  • Obwohl eine Anordnung der Vorwärts- und Rückwärts-Triggersteuerschaltungen dargestellt wurde, können auch andere Ausführungsformen der Vorwärts- und Rückwärts-Triggersteuerschaltungen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Vorwärts-Triggersteuerschaltung 82 zusätzliche Dioden oder andere Komponenten enthalten, die ausgelegt sind, eine gewünschte Vorwärts-Aktivierungstriggerspannung zu erzielen. Ebenso kann die Rückwärts-Triggersteuerschaltung 92 mehr oder weniger Dioden enthalten, oder andere Komponenten, die ausgelegt sind, eine gewünschte Rückwärts-Aktivierungstriggerspannung zu erzielen.
  • 4A zeigt ein Schaltbild einer bidirektionalen Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung 100. Die Schutzschaltung 100 umfasst einen Vorwärtsleitungs- und einen Rückwärtsleitungs-Steuerblock 5, 6 und einen Multigate-HEMT 109. Der Multigate-HEMT 109 umfasst einen Drain-/Source-Bereich 107, einen Source-/Drain-Bereich 108, ein erstes E-Modus-Gate 103 und ein zweites E-Modus-Gate 104. Das erste E-Modus-Gate 103 ist zwischen dem Drain-/Source-Bereich 107 und dem zweiten E-Modus-Gate 104 angeordnet, und das zweite E-Modus-Gate 104 ist zwischen dem ersten E-Modus-Gate 103 und dem Source-/Drain-Bereich 108 angeordnet. Wie in 4A gezeigt, ist der Drain-/Source-Bereich 107 elektrisch mit dem ersten Anschluss N1 verbunden und der Source-/Drain-Bereich 108 ist elektrisch mit dem zweiten Anschluss N2 verbunden. Weiterhin ist der Vorwärtsleitungs-Steuerblock 5 elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 verbunden, und ist ausgelegt, die Spannung des zweiten E-Modus-Gate 104 zu steuern. Weiterhin ist der Rückwärtsleitungs-Steuerblock 6 elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Anschluss N1, N2 verbunden, und ist ausgelegt, die Spannung des ersten E-Modus-Gate 103 zu steuern
  • Ähnlich wie zuvor in Bezug auf 1 beschrieben, kann die Schutzschaltung 100 aus 4A Vorwärts- und Rückwärts-Aktivierungstriggerspannungen aufweisen, die durch den Vorwärtsleitungs- bzw. Rückwärtsleitungs-Steuerblock 5, 6 gesteuert sind Im Gegensatz zur Schutzschaltung 10 der 1 entfallen in der Schutzschaltung 100 aus 4A jedoch der erste und zweite D-Modus-Gate-Bereich 1, 2. Da dem ersten und zweiten D-Modus-Gate-Bereich 1, 2 Metallhalbleiter- oder Schottky-Dioden-Strukturen zugeordnet sein können, die bei hohen Spannungen als Stromwege arbeiten können, kann sich durch den Entfall des ersten und zweiten D-Modus-Gate-Bereichs 1, 2, die Stromtragfähigkeit der Schutzschaltung 100 aus 4A gegenüber der Schutzschaltung 10 aus 1 verringern. Jedoch kann die Schutzschaltung 100 aus 4 unter Verwendung eines im Vergleich zur Schutzschaltung 100 der 1 vereinfachten Herstellungsprozesses gefertigt werden, und die Schutzschaltung 100 kann somit kostengünstiger und/oder in höheren Stückzahlen hergestellt werden.
  • 4B zeigt ein Schaltbild einer bidirektionalen Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung 110. Die Schutzschaltung 110 umfasst Vorwärts- bzw. Rückwärtsleitungs-Steuerblöcke 5, 6 und einen Multigate-HEMT 119. Der Multigate-HEMT 119 umfasst einen Drain-/Source-Bereich 117, einen Source-/Drain-Bereich 118, ein erstes E-Modus-Gate 113, ein zweites E-Modus-Gate 114, ein drittes E-Modus-Gate 115 und ein viertes E-Modus-Gate 116. Die Schutzschaltung 110 aus 4B ist der Schutzschaltung 10 aus 1 ähnlich, außer dass die Schutzschaltung 110 aus 4B eine Anordnung zeigt, in der das erste und zweite D-Modus-Gate 1, 2 aus 1 durch das dritte, bzw. vierte E-Modus-Gate 115, 116 ersetzt wurden. Durch eine derartige Anordnung der Schutzschaltung 110 kann sich die Stromtragfähigkeit der Schutzvorrichtung verringern. Zum Beispiel kann während eines Überspannungs- oder Unterspannungszustands die Leitfähigkeit des Kanals oder 2DEG-Bereichs des Multigate-HEMT 9 der 1 höher sein als die Leitfähigkeit des Kanals des Multigate-HEMT 119 aus 4B. Jedoch kann der Multigate-HEMT 119 aus 4B gefertigt werden, ohne dass Verarmungstyp-Gates gebildet werden müssen, und kann somit im Vergleich zum Multigate-HEMT 9 aus 1 kostengünstiger und/oder in höheren Stückzahlen hergestellt werden.
  • 5 zeigt ein Diagramm 200, in dem für ein Beispiel der bidirektionalen Sperrspannungs-Heteroübergangsverbindungshalbleiter-Schutzschaltung 10 aus 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 200 zeigt eine Strom-Spannungs-Reaktion für eine Anordnung der Schutzschaltung 10 aus 1, in der die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung so ausgelegt ist, dass diese etwa +12 V beträgt, und in der die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung so ausgelegt ist, dass diese etwa –12 V beträgt. Die Vorwärtsleitungs- und Rückwärtsleitungs-Triggerspannungen können jedoch auch mit anderen Spannungswerten ausgelegt werden, einschließlich Triggerspannungen mit asymmetrischen Spannungsgrößen, um die für eine jeweilige Anwendung gewünschte geeignete Schutz-Kennlinie zu erzielen.
  • 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Verbindungshalbleiter-Schutzvorrichtung 300, in der der Multigate-HEMT 9 aus 1 gemäß einer möglichen Ausführungsform umgesetzt ist. Die Schutzvorrichtung 300 umfasst Drain-/Source-Bereiche 26, Source-/Drain-Bereiche 27, einen ersten und zweiten D-Modus-Gate-Bereich 35a, 35b, einen ersten und zweiten E-Modus-Gate-Bereich 36a, 36b, 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 gefertigt und kann andere Strukturen oder Merkmale, einschließlich, beispielsweise eine Heteroübergangsstruktur, Kontaktbereiche, Durchkontaktierungen und/oder zusätzliche Metallbereiche umfassen. Der Fachmann wird erkennen, dass diese Details in dieser Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden.
  • Die Drain-/Source-Bereiche 26 und die Source-/Drain-Bereiche 27 sind einander benachbart 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 Ausführung die Gesamtzahl der Drain-/Source-Bereiche 26 und Source-/Drain-Bereiche 27 im Bereich von etwa 2 bis etwa 24 gewählt.
  • Der erste und zweite D-Modus-Gate-Bereich 35a, 35b und der erste und zweite E-Modus-Gate-Bereich 36a, 36b sind als schlangenlinienförmige Strukturen ausgeführt, die sich zwischen den Drain-/Source-Bereichen 26 und den Source-/Drain-Bereichen 27 hindurchschlängeln oder winden. Wie in 6 dargestellt, besitzen der erste und zweite E-Modus-Gate-Bereich 36a, 36b 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 ersten und zweiten E-Modus-Gate-Bereichs 36a, 36b. Jedoch sind auch andere Anordnungen möglich. Außerdem können, obwohl in 6 eine Anordnung dargestellt ist, in der die D-Modus-Gate-Bereiche übereinstimmende Breiten haben und in der die E-Modus-Gate-Bereiche übereinstimmende Breiten haben, in anderen Ausführungsformen die D-Modus- und E-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 1–3 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 vorgehend 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 Ausführung in der Praxis auch zusätzliche Zwischenelemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten vorhanden sein (wenn die Funktionalität der dargestellten Schaltungen nicht beeinträchtigt wird).
  • Die verschiedenen vorgehend beschriebenen Ausführungen können kombiniert werden, um weitere Ausführungen bereitzustellen. Ferner können bestimmte im Zusammenhang mit einer Ausführung gezeigte Merkmale auch in andere Ausführungen aufgenommen werden.

Claims (20)

  1. Vorrichtung, aufweisend: einen Multigate-Transistor (9) mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT), aufweisend einen Drain-/Source-Bereich (7; 26), einen Source-/Drain-Bereich (8; 27), ein erstes Verarmungstyp-Gate (1; 35a), ein zweites Verarmungstyp-Gate (2; 35b), ein erstes Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) und ein zweites Anreicherungstyp-Gate (4; 36b), wobei das erste Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) zwischen dem ersten (1; 35a) und zweiten (2; 35b) Verarmungs-Gate angeordnet ist, wobei das zweite Anreicherungstyp-Gate (4; 36b) zwischen dem ersten Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) und dem zweiten Verarmungs-Gate (2; 35b) angeordnet ist, und wobei der Drain-/Source-Bereich (7; 26) und das erste Verarmungs-Gate (1; 35a) elektrisch mit einem ersten Anschluss (N1) verbunden sind, und wobei der Source-/Drain-Bereich (8; 27) und das zweite Verarmungs-Gate (2; 35b) elektrisch mit einem zweiten Anschluss (N2) verbunden sind, einen Vorwärtsleitungs-Steuerblock (5; 45), der elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anschluss (N2) verbunden ist, und ausgelegt ist, eine Gate-Spannung des zweiten Anreicherungstyp-Gates (4; 36b) zu steuern, wobei der Vorwärtsleitungs-Steuerblock (5; 45) ausgelegt ist, das zweite Anreicherungstyp-Gate (4; 36b) einzuschalten wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss (N1, N2) größer ist als eine Vorwärtsleitungs-Triggerspannung und anderenfalls das zweite Anreicherungstyp-Gate (4; 36b) auf der Basis einer Spannung des zweiten Anschlusses (N2) vorzuspannen, und einen Rückwärtsleitungs-Steuerblock (6; 46), der elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anschluss (N2) verbunden ist, und ausgelegt ist, eine Gate-Spannung des ersten Anreicherungstyp-Gates (3; 36a) zu steuern, wobei der Rückwärtsleitungs-Steuerblock (6; 46) ausgelegt ist, das erste Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) einzuschalten wenn die Spannungsdifferenz kleiner ist als eine Rückwärtsleitungs-Triggerspannung, und das erste Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) anderenfalls auf der Basis einer Spannung des ersten Anschlusses (N1) vorzuspannen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Vorwärtsleitungs-Steuerblock (5; 45) ausgelegt ist, das zweite Anreicherungstyp-Gate (4; 36b) auszuschalten wenn die Spannungsdifferenz positiv aber kleiner als die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung ist, und wobei der Rückwärtsleitungs-Steuerblock (6; 46) ausgelegt ist, dass erste Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) auszuschalten wenn die Spannungsdifferenz negativ aber größer als die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorwärtsleitungs-Steuerblock (5; 45) ausgelegt ist, die Spannung des zweiten Anreicherungstyp-Gates (4; 36b) so zu steuern, dass diese gleich der Spannung des zweiten Anschlusses (N2) ist wenn die Spannungsdifferenz kleiner ist als die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung, und wobei der Rückwärtsleitungs-Steuerblock (6; 46) ausgelegt ist, die Spannung des ersten Anreicherungstyp-Gate (3; 36a) so zu steuern, dass diese gleich der Spannung des ersten Anschlusses (N1) ist wenn die Spannungsdifferenz größer als die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorwärtsleitungs-Steuerblock (5; 45) eine zwischen dem zweiten Anreicherungstyp-Gate (36b) und dem zweiten Anschluss (N2) angeordnete erste Strombegrenzungsschaltung (51) aufweist, und eine zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anreicherungstyp-Gate (36b) angeschlossene Vorwärts-Triggersteuerschaltung (52), wobei die Vorwärts-Triggersteuerschaltung (52) ausgelegt ist, einen Vorwärts-Triggerstrom zu leiten wenn die Spannungsdifferenz größer ist als die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung, um so dem zweiten Anreicherungstyp-Gate (36b) eine erste Aktivierungsspannung bereitzustellen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Rückwärtsleitungs-Steuerblock (6; 46) eine zwischen dem ersten Anreicherungstyp-Gate (36a) und dem ersten Anschluss (N1) verbundene zweite Strombegrenzungsschaltung (61) aufweist, und eine zwischen dem zweiten Anschluss (N2) und dem ersten Anreicherungstyp-Gate (36a) verbundene Rückwärts-Triggersteuerschaltung (62), wobei die Rückwärts-Triggersteuerschaltung (62) ausgelegt ist, einen Rückwärts-Triggerstrom zu leiten wenn die Spannungsdifferenz kleiner ist als die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung, um so dem ersten Anreicherungstyp-Gate (36a) eine zweite Aktivierungsspannung bereitzustellen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei zumindest ein Teil der Vorwärts-Triggerspannung ausgelegt ist, durch die erste Strombegrenzungsschaltung (51) zu fließen wenn die Spannung des ersten Anschlusses (N1) die Spannung des zweiten Anschlusses (N2) um die Vorwärtsleitungs-Triggerspannung übersteigt, und wobei zumindest ein Teil des Rückwärts-Triggerstroms ausgelegt ist, durch die zweite Strombegrenzungsschaltung (61) zu fließen wenn die Spannung des zweiten Anschlusses (N2) die Spannung des ersten Anschlusses (N1) um die Rückwärtsleitungs-Triggerspannung überschreitet.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die erste Strombegrenzungsschaltung (51) einen ersten Widerstand (53) aufweist, und wobei die zweite Strombegrenzungsschaltung einen zweiten Widerstand (63) aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Vorwärts-Triggersteuerschaltung (52) eine oder mehrere elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anreicherungstyp-Gate (36b) seriell verbundene Dioden (54, 55) aufweist, wobei die eine oder mehrere Dioden des Vorwärtsleitungs-Steuerblocks (45) in Rückwärtsrichtung gepolt sind wenn die Spannung des zweiten Anschlusses (N2) die Spannung des ersten Anschlusses (N1) übersteigt, und wobei die Rückwärts-Triggersteuerschaltung (62) eine oder mehrere elektrisch zwischen dem zweiten Anschluss (N2) und dem ersten Anreicherungstyp-Gate (36a) seriell verbundene Dioden (64, 65) aufweist, wobei die eine oder mehrere Dioden des Rückwärtsleitungs-Steuerblocks (46) in Rückwärtsrichtung gepolt sind wenn die Spannung des ersten Anschlusses (N1) die Spannung des zweiten Anschlusses (N2) übersteigt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Vorwärts-Triggersteuerschaltung (52) eine erste im Sperrdurchbruch arbeitende Diode (54) und eine erste Diode (55) aufweist, wobei die erste im Sperrdurchbruch arbeitende Diode (54) eine elektrisch mit dem ersten Anschluss (N1) verbundene Kathode aufweist, und wobei die erste Diode (55) eine elektrisch mit dem zweiten Anreicherungstyp-Gate (36b) verbundene Kathode und eine elektrisch mit der Anode der ersten im Sperrdurchbruch arbeitenden Diode (54) verbundene Anode aufweist, und wobei die Rückwärts-Triggersteuerschaltung (62) eine zweite im Sperrdurchbruch arbeitende Diode (64) und eine zweite Diode (65) aufweist, und wobei die zweite im Sperrdurchbruch arbeitende Diode (64) eine elektrisch mit dem zweiten Anschluss (N2) verbundene Kathode aufweist, und wobei die zweite Diode (65) eine elektrisch mit dem ersten Anreicherungstyp-Gate (36a) verbundene Kathode und eine elektrisch mit einer Anode der zweiten im Sperrdurchbruch arbeitenden Diode (64) verbundene Anode aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste und die zweite im Sperrdurchbruch arbeitende Diode (54, 64) mindestens eine der folgenden aufweist: eine Zener-Diode, eine in Sperrrichtung gepolte Übergangsdiode, oder eine Mehrzahl von in Vorwärtsrichtung gepolter, in Reihe geschalteter Schottky-Dioden.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorwärtsleitungs-Steuerspannung und die Rückwärtsleitungs-Steuerspannung unterschiedliche Spannungsgrößen haben.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multigate-HEMT ein pseudomorphischer Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (pHEMT) ist.
  13. Vorrichtung (20), aufweisend: ein Substrat (21), eine über dem Substrat (21) angeordnete Heteroübergangsstruktur (22), einen über der Heteroübergangsstruktur (22) angeordneten und elektrisch mit einem ersten Anschluss (N1) verbundenen Drain-/Source-Bereich (26), einen über der Heteroübergangsstruktur (22) angeordneten und elektrisch mit einem zweiten Anschluss (N2) verbundenen Source-/Drain-Bereich (27), einen über der Heteroübergangsstruktur (22) zwischen dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem Source-/Drain-Bereich (27) angeordneten ersten Anreicherungstyp--Gate-Bereich (36a), einen über der Heteroübergangsstruktur (22) zwischen dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36a) angeordneten ersten Verarmungstyp-Gate-Bereich (35a), wobei der erste Verarmungs-Gate-Bereich (35a) elektrisch mit dem ersten Anschluss (N1) verbunden ist, einen über der Heteroübergangsstruktur (22) zwischen dem Source-/Drain-Bereich (27) und dem ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36a) angeordneten zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36b), einen über der Heteroübergangsstruktur (22) zwischen dem Source-/Drain-Bereich (27) und dem zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36b) angeordneten zweiten Verarmungs-Gate-Bereich (35b), wobei der zweite Verarmungs-Gate-Bereich (35b) elektrisch mit dem zweiten Anschluss (N2) verbunden ist; einen Vorwärtsleitungs-Steuerblock (45), der elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anschluss (N2) verbunden ist, und ausgelegt ist, eine Spannung des zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereichs (36b) zu steuern, und einen Rückwärtsleitungs-Steuerblock (46), der elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anschluss (N2) verbunden ist, und ausgelegt ist, eine Spannung des ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereichs (36a) zu steuern.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Heteroübergangsstruktur (22) einen Indium-Gallium-Arsenid-Bereich (23) und einen n-Typ-Aluminium-Gallium-Arsenid-Bereich (25) aufweist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Heteroübergangsstruktur (22) einen unter dem ersten Verarmungs-Gate-Bereich (35a), dem ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36a), dem zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36b) und dem zweiten Verarmungs-Gate-Bereich (35b) angeordneten zweidimensionalen Elektronengas(2DEG)-Bereich aufweist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Vorwärtsleitungs-Steuerblock (45) eine elektrisch zwischen dem zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36b) und dem zweiten Anschluss (N2) verbundene erste Strombegrenzungsschaltung (51), und eine elektrisch zwischen dem ersten Anschluss (N1) und dem zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36b) verbundene Vorwärts-Triggersteuerschaltung (52) aufweist, und wobei der Rückwärtsleitungs-Steuerblock (46) eine elektrisch zwischen dem ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36a) und dem ersten Anschluss (N1) verbundene zweite Strombegrenzungsschaltung (61) aufweist, und eine elektrisch zwischen dem zweiten Anschluss (N2) und dem ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36a) verbundene Rückwärts-Triggersteuerschaltung (62).
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, ferner aufweisend ein erstes Signalpad und einen rückseitigen Leiter (39), wobei der erste Anschluss (N1) elektrisch mit dem ersten Signalpad verbunden ist, und wobei der zweite Anschluss (N2) elektrisch mit dem rückseitigen Leiter (39) verbunden ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei eine Breite des ersten und zweiten Verarmungs-Gate-Bereichs (35a, 35b) zwischen 2 Mal bis 5 Mal größer ist als eine Breite des ersten und zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereichs (36a, 36b).
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das Substrat Galliumarsenid aufweist.
  20. Verfahren zur Herstellung einer bidirektionalen Verbindungshalbleiter-Schutzschaltung (20), wobei das Verfahren aufweist: Herstellen einer Heteroübergangsstruktur (22) über einem Substrat (21), Herstellen eines Drain-/Source-Bereichs (26) über der Heteroübergangsstruktur (22), Herstellen eines Source-/Drain-Bereichs (27) über der Heteroübergangsstruktur (22), Herstellen eines ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereichs (36a) über der Heteroübergangsstruktur (22), wobei der erste Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36a) zwischen dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem Source-/Drain-Bereich (27) angeordnet ist, Herstellen eines ersten Verarmungstyp-Gate-Bereichs (35a) über der Heteroübergangsstruktur (22), wobei der erste Verarmungs-Gate-Bereich (35a) zwischen dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36a) angeordnet ist, Herstellen eines zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereichs (36b) über der Heteroübergangsstruktur (22), wobei der zweite Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36b) zwischen dem Source-/Drain-Bereich (27) und dem ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36a) angeordnet ist, Herstellen eines zweiten Verarmungs-Gate-Bereichs (35b) über der Heteroübergangsstruktur (22), wobei der zweite Verarmungs-Gate-Bereich (35b) zwischen dem Source-/Drain-Bereich (27) und dem zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36b) angeordnet ist, Herstellen eines Vorwärtsleitungs-Steuerblocks (45), wobei der Vorwärtsleitungs-Steuerblock (45) einen elektrisch mit dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem ersten Verarmungs-Gate-Bereich (35a) verbundenen ersten Anschluss (N1), einen mit dem Source-/Drain-Bereich (27) und dem zweiten Verarmungs-Gate-Bereich (35b) verbundenen zweiten Anschluss (N2), und einen elektrisch mit dem zweiten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36b) verbundenen Steueranschluss aufweist, und Herstellen eines Rückwärtsleitungs-Steuerblocks (46), wobei der Rückwärtsleitungs-Steuerblock (46) einen elektrisch mit dem Drain-/Source-Bereich (26) und dem ersten Verarmungs-Gate-Bereich (35a) verbundenen ersten Anschluss (N1), einen elektrisch mit dem Source-/Drain-Bereich (27) und dem zweiten Verarmungs-Gate-Bereich (35b) verbundenen zweiten Anschluss (N2), und einen elektrisch mit dem ersten Anreicherungstyp-Gate-Bereich (36a) verbundenen Steueranschluss aufweist.
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